ความคลาดเคลื่อนจากการวัดไขมัน BIA ส่งผลต่อค่า FFMI อย่างไร

พื้นฐานทางเทคนิคและสมมติฐานการทำงานของ MF-BIA

การวิเคราะห์ความต้านทานไฟฟ้าของเนื้อเยื่อ (BIA) ประมาณค่าองค์ประกอบของร่างกายโดยการวัดแรงต้านทาน (อิมพีแดนซ์) ของเนื้อเยื่อชีวภาพต่อกระแสไฟฟ้าสลับ [4, 20] ระบบที่ไวต่อเฟส (Phase-sensitive systems) จะแยกอิมพีแดนซ์รวมออกเป็นสององค์ประกอบที่แตกต่างกัน ได้แก่ ความต้านทานแบบโอห์มิกหรือรีซิสแตนซ์ ($R$) ซึ่งสะท้อนถึงแรงต้านต่อการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านน้ำทั้งภายในและภายนอกเซลล์ และรีแอกแตนซ์ ($X_c$) ซึ่งสะท้อนถึงผลของความจุไฟฟ้า (capacitive effect) ของเยื่อหุ้มเซลล์ [20]

BIA แบบความถี่เดี่ยวมาตรฐาน (SF-BIA) มักจะปล่อยกระแสสลับที่ความถี่ 50 kHz ซึ่งส่วนใหญ่จะไหลผ่านน้ำภายนอกเซลล์ (ECW) โดยไม่ทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์อย่างสมบูรณ์ [5] ในทางตรงกันข้าม BIA แบบหลายความถี่ (MF-BIA) จะใช้ช่วงความถี่แบบไม่ต่อเนื่องที่ครอบคลุมตั้งแต่ระดับต่ำไปจนถึง 800 kHz หรือ 1000 kHz [5, 20] ความถี่ต่ำ (<50 kHz) ส่วนใหญ่จะเดินทางผ่าน ECW ในขณะที่ความถี่สูง (>100 kHz) จะสามารถทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้ ทำให้สามารถประมาณการน้ำภายนอกเซลล์และน้ำภายในเซลล์ (ICW) ได้พร้อมกัน [5] สเปกโทรสโกปีความต้านทานไฟฟ้าชีวภาพ (BIS) ได้ต่อยอดหลักการนี้โดยใช้การกวาดความถี่แบบต่อเนื่อง (โดยทั่วไปคือ 4 kHz ถึง 1000 kHz) และนำข้อมูลไปสร้างกราฟ Cole-Cole ตลอดจนใช้สมการผสมของ Hanai เพื่อคำนวณหาความต้านทานภายในและภายนอกเซลล์ รวมถึงมวลเซลล์ของร่างกาย (body cell mass) ในทางคณิตศาสตร์ [5, 20]

ระบบวิเคราะห์แบบแยกส่วน (SEG-BIA) ใช้รูปแบบอิเล็กโทรดสัมผัส 8 จุด (ขั้วไฟฟ้า 2 จุดต่อมือและเท้าแต่ละข้าง) เพื่อประเมินร่างกายโดยไม่มองว่าเป็นทรงกระบอกเดี่ยวที่เหมือนกันทั้งหมด แต่มองเป็นทรงกระบอกที่แตกต่างกัน 5 ส่วน ได้แก่ ลำตัวและรยางค์ทั้งสี่ [5] แม้จะมีการพัฒนาทางเทคโนโลยีเหล่านี้ แต่วิธีการ BIA ทุกรูปแบบยังคงขึ้นอยู่กับสมมติฐานทางกายภาพและสรีรวิทยาพื้นฐาน 3 ประการ ได้แก่ (1) ร่างกายมนุษย์ทำหน้าที่เสมือนตัวนำไฟฟ้าที่เป็นเนื้อเดียวกันและมีคุณสมบัติเหมือนกันทุกทิศทาง (isotropic); (2) กระแสไฟฟ้ากระจายตัวอย่างสม่ำเสมอตลอดภาคตัดขวางของเนื้อเยื่อ; และ (3) น้ำรวมในร่างกาย (TBW) คิดเป็นสัดส่วนคงที่—ตามธรรมเนียมดั้งเดิมคือ 72.3%—ของมวลไร้ไขมัน (FFM) [18]

ความคลาดเคลื่อนในการวัดและความคลาดเคลื่อนจากเกณฑ์มาตรฐาน

เพื่อสร้างความเที่ยงตรงของ MF-BIA การศึกษาวิจัยเพื่อตรวจสอบความถูกต้องในปัจจุบันจึงเปรียบเทียบผลลัพธ์จากอุปกรณ์กับแบบจำลองเกณฑ์มาตรฐานแบบหลายองค์ประกอบ (multi-compartment criterion models) แบบจำลองระดับโมเลกุลแบบ 4 องค์ประกอบ (4C) ถือเป็นมาตรฐานทองคำ (gold standard) ในการประเมินองค์ประกอบร่างกายมนุษย์ [1, 20] โครงสร้างแบบจำลอง 4C จะวัดมวลกาย (BM), ปริมาตรร่างกาย (BV ผ่านวิธี air displacement plethysmography หรือ hydrodensitometry), TBW (ผ่านการเจือจางไอโซโทปดิวเทอเรียมหรือ BIS) และปริมาณแร่ธาตุในกระดูก (BMC ผ่านการดูดกลืนรังสีเอกซ์คู่, DXA) [1, 20] ค่าที่ได้เหล่านี้จะถูกนำไปแก้สมการพร้อมกันโดยใช้สูตรที่ได้รับการยอมรับ เช่น สูตรที่พัฒนาโดย Wang และคณะ [1, 20]:

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

เนื่องจากความแตกต่างในการเลือกใช้เครื่องมือของแต่ละห้องปฏิบัติการ จึงมีรูปแบบของโมเดล 4C อยู่ไม่น้อยกว่า 12 รูปแบบ [1]

การทบทวนวรรณกรรมอย่างเป็นระบบ (PROSPERO CRD42023266802) ซึ่งประเมินการศึกษา 12 ชิ้นในผู้ใหญ่สุขภาพดีที่มีน้ำหนักคงที่โดยใช้เครื่องมือ AXIS แบบ 20 รายการ พบว่าอุปกรณ์ BIA แสดงความไม่เท่าเทียมกันอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับแบบจำลองเกณฑ์มาตรฐาน 4C [1] ในระดับกลุ่ม ค่าเฉลี่ยความลำเอียง (mean bias) สำหรับเปอร์เซ็นต์ไขมันในร่างกาย (%BF) อยู่ระหว่าง -3.5% ถึง +4.4% แต่ขอบเขตความสอดคล้องระดับบุคคล (limits of agreement; LOA) กว้างถึง 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ [1] สำหรับ FFM ค่าเฉลี่ยความลำเอียงอยู่ระหว่าง -3.9 กก. ถึง +1.8 กก. โดยที่ขอบเขตความสอดคล้องระดับบุคคลมักเกิน ±6 กก. อยู่บ่อยครั้ง [1]

ความคลาดเคลื่อนที่คล้ายกันนี้ปรากฏขึ้นเมื่อนำระบบ MF-BIA แบบ 8 ขั้วไฟฟ้ารุ่นใหม่ไปเปรียบเทียบกับ DXA ในการศึกษาความน่าเชื่อถือและความถูกต้องของ InBody 770 ระบบดังกล่าวแสดงให้เห็นถึงความเที่ยงตรงของการทดสอบซ้ำที่เกือบสมบูรณ์แบบในการทดลองซ้ำหลายครั้ง (ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ภายในชั้น [ICC] ของน้ำรวมและมวลทั่วร่างกาย $\ge 0.999$) [3] อย่างไรก็ตาม เมื่อเทียบมาตรฐานกับ DXA อุปกรณ์กลับแสดงค่าเบี่ยงเบนของการวัดอย่างเป็นระบบ: %BF ถูกประเมินต่ำไปโดยมีค่าเฉลี่ยความลำเอียง -4.0 ± 2.8% (ความคลาดเคลื่อนมาตรฐานของการประมาณการ [SEE] = 2.6%), มวลไขมันถูกประเมินต่ำไป -2.9 ± 2.0 กก. (SEE = 1.9 กก.) และ FFM ถูกประเมินสูงเกินจริงไป 2.8 ± 2.1 กก. (SEE = 2.2 กก.) [3]

ในกลุ่มประชากรนักกีฬา ความไม่แม่นยำในการทำนายทั่วไปมักอยู่ในช่วง 2–3% ถึง 5–6% สำหรับเปอร์เซ็นต์ไขมันในร่างกายเมื่อเทียบกับเกณฑ์มาตรฐาน [18] ทิศทางของความลำเอียงยังแปรผันตามกลุ่มประชากรย่อย: InBody 720 ประเมิน %BF สูงเกินจริงไป ~1.2% เมื่อเทียบกับ DXA ในเพศชายที่ฝึกซ้อมด้วยแรงต้าน ในขณะที่ในกลุ่มนักกีฬาชายอายุน้อย 104 คน BIA ประเมิน %BF ต่ำไป 2.0% เมื่อเทียบกับ DXA และต่ำไป 5.3% เมื่อเทียบกับวิธี air displacement plethysmography [18] เครื่องชั่งระดับผู้บริโภคทั่วไปแสดงความคลาดเคลื่อนที่กว้างกว่า โดยอ่านค่าไขมันในร่างกายต่ำกว่าความเป็นจริงเฉลี่ยประมาณ 5 กก. (LOA ±7 กก.) แม้จะมีความสัมพันธ์เชิงเส้นที่ 0.75 ถึง 0.81 เมื่อเทียบกับการตรวจด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (MRI) [4]

ปัจจัยกวนทางระเบียบวิธีและปัจจัยกวนทางชีวภาพแบบเฉียบพลัน

เนื่องจาก BIA อนุมานองค์ประกอบของเนื้อเยื่อจากการนำไฟฟ้า ความผันผวนแบบเฉียบพลันของระดับน้ำในร่างกาย ความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ และอุณหภูมิผิวหนังจึงส่งผลกระทบโดยตรงต่อค่าที่วัดได้ [4, 5] ภาวะขาดน้ำจะเพิ่มความต้านทานรวมของเนื้อเยื่อ ซึ่งอาจทำให้ประเมิน FFM ต่ำไปประมาณ 5 กก. (ส่งผลให้เปอร์เซ็นต์ไขมันในร่างกายที่คำนวณได้สูงเกินจริง) [4] ในทางกลับกัน การออกกำลังกายระดับปานกลางเป็นเวลา 90–120 นาทีก่อนการทดสอบทันทีจะช่วยเพิ่มการไหลเวียนของเลือดส่วนปลายและเพิ่มอุณหภูมิผิวหนัง ซึ่งจะลดค่าอิมพีแดนซ์ที่วัดได้ และทำให้ประเมิน FFM สูงเกินจริงได้ถึง 12 กก. [4]

เพื่อลดผลกระทบแปลกปลอมเหล่านี้ให้น้อยที่สุด โปรโตคอลมาตรฐานก่อนการประเมินกำหนดให้นักกีฬาต้อง:

• งดการบริโภคแอลกอฮอล์และคาเฟอีนเป็นเวลา 24 ชั่วโมง [5]
• ละเว้นจากการออกกำลังกายอย่างหนักเป็นเวลาอย่างน้อย 8 ชั่วโมง [5]
• งดอาหารและเครื่องดื่มเป็นเวลา 4 ชั่วโมง [5]
• หลีกเลี่ยงยาขับปัสสาวะเป็นเวลา 7 วันก่อนการทดสอบ [5]

ในหมู่นักกีฬาเพาะกายและฟิตเนสเพื่อการแข่งขัน เครื่องมือประเมินแบบเดี่ยว (เช่น DXA เดี่ยวๆ หรือ BIS เดี่ยวๆ) แสดงให้เห็นถึงความลำเอียงตามสัดส่วน (proportional bias) และช่วง 95% LOA ที่กว้างเมื่อเทียบกับแบบจำลอง 4C [13] การรวมค่าประมาณน้ำรวมในร่างกายจาก BIS เข้าไปในโครงสร้างแบบจำลองหลายองค์ประกอบ (เช่น แบบจำลอง 3 องค์ประกอบ) จะให้ความคลาดเคลื่อนมาตรฐานของการประมาณการที่ต่ำกว่า ความคลาดเคลื่อนรวมต่ำกว่า และขอบเขตความสอดคล้องที่แคบกว่าการประเมินแบบเดี่ยวทุกรูปแบบ [13] ก่อนปี 2020 BIA มาตรฐานและการวิเคราะห์เวกเตอร์ความต้านทานไฟฟ้าชีวภาพ (BIVA) มักให้ผลการประเมินที่ไม่แม่นยำในกลุ่มนักกีฬา เนื่องจากการขาดแบบจำลองการถดถอยเฉพาะสำหรับนักกีฬาและวงรีความคลาดเคลื่อนอ้างอิงที่ปรับแต่งเฉพาะ [20]

เกณฑ์ FFMI ที่ 25.0: ที่มาและบริบททางระเบียบวิธีวิจัย

ดัชนีมวลไร้ไขมัน (FFMI) ปรับขนาดมวลไร้ไขมันสัมบูรณ์ตามส่วนสูง เพื่อสร้างมาตรฐานของมวลกล้ามเนื้อโดยไม่ขึ้นกับความสูงของบุคคล:

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

แนวคิดเรื่องเพดานทางชีววิทยาตามธรรมชาติสำหรับ FFMI มีที่มาจากงานวิจัยชิ้นสำคัญในปี 1995 โดย Kouri และคณะเป็นหลัก [8] คณะผู้วิจัยได้ประเมินนักกีฬาชาย 157 คน ประกอบด้วยผู้ที่รายงานว่าใช้สารสเตียรอยด์แอนาบอลิก-แอนโดรเจนิก (AAS) จำนวน 83 คน และผู้ที่ไม่ใช้ 74 คน ควบคู่ไปกับการวิเคราะห์ผู้ชนะการประกวด Mr. America จำนวน 20 คนในยุคก่อนการใช้สเตียรอยด์ (ปี 1939–1959) [8] เพื่อปรับแก้ผลกระทบเล็กน้อยจากการสเกลตามความสูง Kouri และคณะจึงได้สร้างเกณฑ์ normalized FFMI ที่ปรับให้เป็นมาตรฐานที่ความสูง 1.80 เมตร [8]:

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

ในกลุ่มที่ไม่ใช้สารกระตุ้น ค่า normalized FFMI มีขีดจำกัดสูงสุดอยู่ที่ 25.0 ในขณะที่กลุ่มผู้ใช้ AAS มักจะเกิน 25.0 และมีหลายคนที่เกิน 30.0 [8] แชมป์ Mr. America ในยุคก่อนสเตียรอยด์มีค่าเฉลี่ย normalized FFMI โดยประมาณที่ 25.4 (โดยมีบางบุคคล เช่น George Eiferman ผู้ชนะ Mr. America ปี 1948 มีค่าประมาณสูงถึง 27.7) [8, 9] การค้นพบเหล่านี้ได้สร้างข้อตกลงร่วมกันอย่างแพร่หลายในวงการวิทยาศาสตร์การกีฬาและวรรณกรรมด้านการเพาะกายว่า normalized FFMI ที่ 25.0 แสดงถึงขีดจำกัดทางสรีรวิทยาขั้นสูงสุดสำหรับนักกีฬาชายที่ไม่ใช้สารกระตุ้น [8, 9]

ข้อมูลนักกีฬาร่วมสมัยและขีดจำกัดสูงสุดทางพันธุกรรม

งานวิจัยในเวลาต่อมาแสดงให้เห็นว่าเกณฑ์ 25.0 ไม่ใช่ขีดจำกัดสูงสุดทางชีววิทยาแบบตายตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อประเมินในสาขากีฬาที่หลากหลาย ระดับไขมันในร่างกายที่สูงขึ้น หรือกลุ่มที่มีพันธุกรรมระดับหัวกะทิ [9, 12]

ในการประเมินภาคตัดขวางของนักกีฬาอเมริกันฟุตบอลระดับวิทยาลัย NCAA จำนวน 235 คนที่ประเมินผ่าน DXA พบว่า 26.4% ของกลุ่มตัวอย่าง (นักกีฬา 62 คน) มีค่า FFMI เกิน 25.0 kg/m² [12] ค่าเฉลี่ยของกลุ่มตัวอย่างทั้งหมดอยู่ที่ 23.7 ± 2.1 kg/m², เปอร์เซ็นไทล์ที่ 97.5 สูงถึง 28.1 kg/m² และค่าสูงสุดพุ่งไปถึง 31.7 kg/m² ในกลุ่มผู้เล่นตำแหน่ง offensive และ defensive linemen [12] ผู้เล่นฟุตบอลใน Division I มีค่าเฉลี่ย FFMI สูงกว่านักกีฬาใน Division II อย่างมีนัยสำคัญ (24.3 ± 1.8 kg/m² เทียบกับ 23.4 ± 1.8 kg/m²; $p<0.001$, $d=0.49$) [12]

การสร้างแบบจำลองทางสถิติสมัยใหม่ของกลุ่มประชากรนักกีฬาที่มีการตรวจสารกระตุ้น (โดยปรับมาตรฐานสำหรับความสูงและความคลาดเคลื่อนในการวัดองค์ประกอบร่างกาย) ชี้ให้เห็นว่าศักยภาพของกล้ามเนื้อตามธรรมชาติมีการกระจายตัวตามประชากรมากกว่าที่จะเป็นตัวเลขตัดขาดค่าเดียว [11] สำหรับเพศชายที่ไม่ใช้สารกระตุ้น ค่า normalized FFMI ที่ ~23.0 จะตรงกับเปอร์เซ็นไทล์ที่ 50 ของศักยภาพตามธรรมชาติหลังการฝึกซ้อมโดยประมาณ ในขณะที่เปอร์เซ็นไทล์ที่ 97 ของกลุ่มที่มีพันธุกรรมโดดเด่นเป็นพิเศษอาจสูงถึง ~28.5 [9]

สำหรับนักกีฬาหญิง เพดานทางชีววิทยาจะปรับลดลงเนื่องจากมีมวลไร้ไขมันเริ่มต้นต่ำกว่าประมาณ ~30% ในสภาวะที่ยังไม่ผ่านการฝึกซ้อม (ค่าเฉลี่ย FFMI ของผู้หญิงที่ยังไม่ฝึกซ้อมอยู่ที่ 15.4 เทียบกับ 18.9 ในผู้ชาย) [9, 11] ขีดจำกัดสูงสุดสำหรับมวลกล้ามเนื้อตามธรรมชาติของเพศหญิงคาดว่าจะอยู่ที่ประมาณ 20.0 ถึง 23.5 kg/m² ซึ่งคิดเป็น ~80–81% ของศักยภาพในเพศชาย [9, 11] ในนักกีฬาฟิตเนสหญิงระดับหัวกะทิที่ผ่านการตรวจสารกระตุ้น ค่าอ้างอิง FFMI ที่ได้จากโมเดล 4C มีค่าเฉลี่ยอยู่ที่ 18.3 ± 1.4 kg/m² ในสภาพความพร้อมสำหรับการแข่งขัน (19.7 ± 4.9% BF) ในขณะที่นักเพาะกายชายในกลุ่มศึกษาเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของ 4C เดียวกันมีค่าเฉลี่ยอยู่ที่ 25.1 ± 1.8 kg/m² (11.8 ± 4.4% BF) [13]

การปรับความคลาดเคลื่อนในการวัดของ BIA กับการแปลผล FFMI

เนื่องจากการคำนวณ FFMI ขึ้นอยู่กับเปอร์เซ็นต์ไขมันในร่างกายที่ประมาณการได้โดยตรง ความคลาดเคลื่อนในการวัดของอุปกรณ์ที่ใช้จึงส่งผลกระทบต่อเนื่องอย่างมีนัยสำคัญต่อดัชนีสุดท้าย [7] ขอบเขตความคลาดเคลื่อนทั่วไปของเครื่องมือประเมินองค์ประกอบร่างกายรูปแบบต่างๆ มีดังนี้:

• DXA: ±1% ถึง 2% [7]
• Air Displacement Plethysmography (BOD POD): ±2% ถึง 3% [7]
• Skinfold Calipers: ±3% ถึง 5% [7]
• Bioelectrical Impedance: ±5% ถึง 8% [7]

ความคลาดเคลื่อนในการวัดเปอร์เซ็นต์ไขมันในร่างกายเพียง 5% สามารถเปลี่ยนค่า FFMI ที่คำนวณได้ของบุคคลนั้นไปได้ถึง 2.0 ถึง 3.0 จุด [7] ตัวอย่างเช่น ในเพศชายสูง 1.80 ม. หนัก 95 กก. อุปกรณ์ที่ประเมินไขมันในร่างกายต่ำเกินจริงที่ 10% จะให้ค่า FFM เท่ากับ 85.5 กก. และ FFMI อยู่ที่ 26.4 kg/m² หากไขมันในร่างกายที่แท้จริงคือ 15% ค่า FFM จริงจะอยู่ที่ 80.75 กก. ซึ่งทำให้ได้ค่า FFMI เท่ากับ 24.9 kg/m²—การข้ามเกณฑ์มาตรฐานคลาสสิกของกล้ามเนื้อตามธรรมชาตินี้จึงเกิดขึ้นจากความคลาดเคลื่อนของการวัดเพียงอย่างเดียว [7, 8]

ในนักศึกษาระดับวิทยาลัย (นักกีฬาเบสบอลชาย 33 คน, นักยิมนาสติกหญิง 16 คน) อุปกรณ์ BIA ยี่ห้อ Omron HBF-500 ประเมินค่า FFMI ต่ำกว่าค่าที่ได้จาก DXA อย่างมีนัยสำคัญ ทั้งในเพศชาย (20.6 kg/m² เทียบกับ 21.1 kg/m², $p=0.007$; ความคลาดเคลื่อนรวม = 0.93 kg/m²) และเพศหญิง (16.2 kg/m² เทียบกับ 17.5 kg/m², $p=0.001$; ความคลาดเคลื่อนรวม = 0.78 kg/m²) [16] อุปกรณ์ดังกล่าวประเมิน FFMI ต่ำกว่าจริงในเพศชาย 70% และในเพศหญิง 100% (77% ของกลุ่มตัวอย่างทั้งหมด) [16] อย่างไรก็ดี 98% ของค่าประมาณจาก BIA ยังคงอยู่ในช่วง ±2.0 kg/m² ของเกณฑ์อ้างอิง DXA [16]

ด้วยเหตุนี้ MF-BIA จึงมีความเหมาะสมสำหรับการติดตามแนวโน้มระยะยาวภายในบุคคลคนเดิมภายใต้สภาวะที่มีการควบคุมมาตรฐานอย่างเคร่งครัด แต่ความคลาดเคลื่อนในระดับบุคคล (LOA ที่ครอบคลุม ±6 กก. สำหรับ FFM และ ±15–20% สำหรับ %BF) ทำให้ไม่สามารถนำ BIA มาใช้ในการตัดสินสถานะการปลอดสารกระตุ้นตามธรรมชาติของนักกีฬาเทียบกับเพดาน FFMI ตามทฤษฎีได้อย่างชัดเจน [1, 3, 7]