Đo mỡ bằng BIA: Sai số ảnh hưởng thế nào đến chỉ số FFMI?

Nền tảng Kỹ thuật và các Giả định Vận hành của MF-BIA

Phân tích trở kháng điện sinh học (BIA) ước tính thành phần cơ thể bằng cách đo lường sự cản trở (trở kháng) của các mô sinh học đối với dòng điện xoay chiều [4, 20]. Các hệ thống nhạy pha phân tách tổng trở kháng thành hai thành phần riêng biệt: điện trở ($R$), phản ánh sự cản trở dòng điện đi qua nước nội bào và ngoại bào, và điện dung kháng ($X_c$), phản ánh hiệu ứng điện dung của màng tế bào [20].

BIA đơn tần số tiêu chuẩn (SF-BIA) thường đưa vào một dòng điện xoay chiều ở tần số 50 kHz, chủ yếu đi qua nước ngoại bào (ECW) mà không thâm nhập hoàn toàn qua màng tế bào [5]. Ngược lại, BIA đa tần số (MF-BIA) áp dụng một phổ các tần số lấy mẫu rời rạc lên đến 800 kHz hoặc 1000 kHz [5, 20]. Các tần số thấp hơn (<50 kHz) chủ yếu di chuyển qua ECW, trong khi các tần số cao hơn (>100 kHz) thâm nhập qua màng tế bào, cho phép ước tính đồng thời nước ngoại bào và nước nội bào (ICW) [5]. Đo phổ trở kháng điện sinh học (BIS) mở rộng nguyên lý này bằng cách áp dụng các dải quét tần số liên tục (thường từ 4 kHz đến 1000 kHz) và khớp dữ liệu vào biểu đồ Cole-Cole cùng các phương trình hỗn hợp Hanai để suy ra điện trở nội bào, ngoại bào và khối lượng tế bào cơ thể (body cell mass) bằng toán học [5, 20].

Các hệ thống đa phân đoạn (SEG-BIA) sử dụng cấu hình tám điện cực tiếp xúc (hai điện cực cho mỗi bàn tay và bàn chân) để xử lý cơ thể không phải như một hình trụ đồng nhất duy nhất, mà là năm hình trụ riêng biệt: thân mình và bốn chi [5]. Bất chấp những cải tiến công nghệ này, tất cả các phương thức BIA đều dựa trên ba giả định vật lý và sinh lý cơ bản: (1) cơ thể người hoạt động như một chuỗi các vật dẫn đẳng hướng, đồng nhất; (2) dòng điện phân bố đồng đều trên các mặt cắt ngang của mô; và (3) tổng lượng nước trong cơ thể (TBW) chiếm một tỷ lệ cố định, không đổi—theo truyền thống là 72,3%—của khối lượng nạc không chứa mỡ (FFM) [18].

Sai số Đo lường và Sự Sai lệch so với Tiêu chuẩn Tham chiếu

Để xác định giá trị hiệu lực của MF-BIA, các nghiên cứu kiểm định hiện đại so sánh kết quả đầu ra của thiết bị với các mô hình tiêu chuẩn nhiều ngăn (multi-compartment criterion models). Mô hình phân tử bốn ngăn (4C) đại diện cho tiêu chuẩn vàng trong đánh giá thành phần cơ thể người [1, 20]. Khung mô hình 4C đo khối lượng cơ thể (BM), thể tích cơ thể (BV thông qua phương pháp thể tích ký thay thế không khí hoặc đo tỷ trọng thủy tĩnh), TBW (thông qua phương pháp pha loãng đồng vị deuterium hoặc BIS), và hàm lượng khoáng chất trong xương (BMC thông qua phương pháp hấp thụ tia X năng lượng kép, DXA) [1, 20]. Các dữ liệu đầu vào này được giải đồng thời bằng cách sử dụng các phương trình đã được thiết lập, chẳng hạn như công thức do Wang và cộng sự phát triển [1, 20]:

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

Do các lựa chọn thiết bị đo khác nhau giữa các phòng thí nghiệm, có ít nhất 12 biến thể của mô hình 4C đang tồn tại [1].

Một tổng quan hệ thống (PROSPERO CRD42023266802) đánh giá 12 nghiên cứu ở người trưởng thành khỏe mạnh, có cân nặng ổn định được thẩm định thông qua công cụ AXIS 20 tiêu chí đã chỉ ra rằng các thiết bị BIA thể hiện sự không tương đương đáng kể khi so sánh với mô hình tiêu chuẩn 4C [1]. Ở cấp độ nhóm, độ lệch trung bình đối với tỷ lệ phần trăm mỡ cơ thể (%BF) dao động từ -3,5% đến +4,4%, nhưng giới hạn đồng thuận cá nhân (LOA) dao động trong khoảng từ 15 đến 20 điểm phần trăm [1]. Đối với FFM, độ lệch trung bình dao động từ -3,9 kg đến +1,8 kg, với giới hạn đồng thuận cá nhân thường xuyên vượt quá ±6 kg [1].

Những sai lệch tương tự cũng xuất hiện khi các hệ thống MF-BIA 8 cực hiện đại được so sánh với DXA. Trong một nghiên cứu về độ tin cậy và giá trị hiệu lực của InBody 770, hệ thống này đã chứng minh độ tin cậy kiểm tra - kiểm tra lại (test-retest reliability) gần như hoàn hảo qua các lần đo lặp lại (hệ số tương quan nội lớp của tổng lượng nước và khối lượng toàn cơ thể $\ge 0.999$) [3]. Tuy nhiên, khi đối chiếu với DXA, thiết bị này cho thấy sự sai lệch đo lường có hệ thống: %BF bị đánh giá thấp hơn với độ lệch trung bình là -4,0 ± 2,8% (sai số chuẩn ước tính [SEE] = 2,6%), khối lượng mỡ bị đánh giá thấp hơn -2,9 ± 2,0 kg (SEE = 1,9 kg), và FFM bị dự đoán cao hơn 2,8 ± 2,1 kg (SEE = 2,2 kg) [3].

Ở các nhóm vận động viên, sự không chính xác trong dự đoán chung thường dao động từ 2–3% đến 5–6% đối với tỷ lệ phần trăm mỡ cơ thể so với các tiêu chuẩn tham chiếu [18]. Độ lệch hướng cũng thay đổi giữa các phân nhóm: InBody 720 ước tính %BF cao hơn ~1,2% so với DXA ở nam giới tập kháng lực, trong khi ở một nhóm gồm 104 vận động viên nam trẻ tuổi, BIA lại ước tính %BF thấp hơn 2,0% so với DXA và thấp hơn 5,3% so với phương pháp thể tích ký thay thế không khí [18]. Các loại cân phân tích cấp độ thương mại dành cho người tiêu dùng còn cho thấy sự sai lệch lớn hơn, ước tính thấp hơn lượng mỡ cơ thể trung bình khoảng 5 kg (LOA ±7 kg) mặc dù có mối tương quan tuyến tính từ 0,75 đến 0,81 so với chụp cộng hưởng từ (MRI) [4].

Các Yếu tố Gây nhiễu Phương pháp luận và Sinh học Cấp tính

Vì BIA suy luận thành phần mô từ độ dẫn điện, những biến động cấp tính về trạng thái hydrat hóa, nồng độ điện giải và nhiệt độ da sẽ trực tiếp làm sai lệch các thông số đầu ra [4, 5]. Tình trạng mất nước làm tăng điện trở của mô tổng thể, điều này có thể dẫn đến việc đánh giá thấp FFM khoảng 5 kg (từ đó làm tăng giả tạo tỷ lệ phần trăm mỡ cơ thể được tính toán) [4]. Ngược lại, tập luyện cường độ vừa phải kéo dài 90–120 phút ngay trước khi kiểm tra sẽ làm tăng lưu lượng máu ngoại vi và tăng nhiệt độ da, làm giảm trở kháng đo được và ước tính FFM cao hơn tới 12 kg [4].

Để giảm thiểu các sai số kỹ thuật này, các quy trình chuẩn hóa trước khi đánh giá yêu cầu vận động viên phải:

• Kiêng tiêu thụ rượu bia và caffeine trong 24 giờ [5].
• Tránh vận động thể chất gắng sức trong ít nhất 8 giờ [5].
• Nhịn ăn và không uống chất lỏng trong 4 giờ [5].
• Tránh sử dụng các thuốc lợi tiểu trong 7 ngày trước khi kiểm tra [5].

Ở các vận động viên thể hình thi đấu, các công cụ đánh giá đơn lẻ (chẳng hạn như DXA độc lập hoặc BIS độc lập) thể hiện độ lệch tỷ lệ và khoảng 95% LOA rộng khi đánh giá so với các mô hình 4C [13]. Việc kết hợp các ước tính tổng lượng nước cơ thể từ BIS vào một khung đa ngăn (chẳng hạn như mô hình 3 ngăn) mang lại sai số chuẩn ước tính thấp hơn, tổng sai số thấp hơn và giới hạn đồng thuận hẹp hơn so với bất kỳ phương thức đánh giá đơn lẻ độc lập nào [13]. Trước năm 2020, BIA tiêu chuẩn và phân tích vectơ trở kháng điện sinh học (BIVA) thường xuyên tạo ra các đánh giá không chính xác trong nhóm đối tượng vận động viên do thiếu các mô hình hồi quy dành riêng cho vận động viên và các hình elip dung sai tham chiếu tùy chỉnh [20].

Ngưỡng FFMI 25,0: Nguồn gốc và Bối cảnh Phương pháp luận

Chỉ số khối không chứa mỡ (FFMI) chuẩn hóa khối lượng nạc không chứa mỡ tuyệt đối theo chiều cao, giúp chuẩn hóa lượng khối nạc không phụ thuộc vào tầm vóc:

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

Khái niệm về trần sinh học tự nhiên cho FFMI phần lớn bắt nguồn từ công trình nghiên cứu mang tính bước ngoặt năm 1995 của Kouri và cộng sự [8]. Các tác giả đã đánh giá 157 vận động viên nam, bao gồm 83 người tự báo cáo có sử dụng steroid đồng hóa-androgen (AAS) và 74 người không sử dụng, cùng với phân tích về 20 người chiến thắng giải Mr. America thuộc kỷ nguyên tiền steroid (1939–1959) [8]. Để giải thích cho các hiệu ứng tỷ lệ dư thừa nhỏ theo tầm vóc, Kouri và cộng sự đã thiết lập một chỉ số FFMI chuẩn hóa được quy chuẩn theo chiều cao 1,80 mét [8]:

$$\text{FFMI chuẩn hóa}=\text{FFMI}+6.3\times (1.80-\text{Chiều cao (m)})$$

Ở nhóm không sử dụng, các giá trị FFMI chuẩn hóa đạt mức tối đa là 25,0, trong khi những người sử dụng AAS thường xuyên vượt qua mức 25,0, với một số cá nhân vượt quá 30,0 [8]. Các nhà vô địch Mr. America kỷ nguyên tiền steroid cho thấy mức FFMI chuẩn hóa trung bình ước tính là 25,4 (với các cá nhân như George Eiferman - Mr. America 1948 đạt mức ước tính 27,7) [8, 9]. Những phát hiện này đã thiết lập một quy ước phổ biến trong khoa học thể dục và y văn thể hình rằng FFMI chuẩn hóa 25,0 đại diện cho một giới hạn sinh lý cứng đối với các vận động viên nam tự nhiên (drug-free) [8, 9].

Dữ liệu Vận động viên Đương đại và Giới hạn Di truyền Tối đa

Các nghiên cứu sau đó chứng minh rằng ngưỡng 25,0 không phải là mức tối đa sinh học tuyệt đối, đặc biệt khi được đánh giá trên các bộ môn thể thao đa dạng, mức mỡ cơ thể cao hơn, hoặc các tầng lớp di truyền ưu tú [9, 12].

Trong một đánh giá cắt ngang trên 235 cầu thủ bóng bầu dục đại học NCAA được đánh giá qua DXA, 26,4% nhóm nghiên cứu (62 vận động viên) đã vượt quá mức FFMI 25,0 kg/m² [12]. Giá trị trung bình của toàn bộ mẫu là 23,7 ± 2,1 kg/m², phân vị thứ 97,5 đạt 28,1 kg/m², và các giá trị đỉnh đạt tới 31,7 kg/m² ở các vị trí tiền tuyến tấn công và phòng thủ (linemen) [12]. Các cầu thủ bóng bầu dục Division I có mức FFMI trung bình cao hơn đáng kể (24,3 ± 1,8 kg/m²) so với các vận động viên Division II (23,4 ± 1,8 kg/m²; $p<0.001$, $d=0.49$) [12].

Mô hình thống kê hiện đại trên các quần thể vận động viên được kiểm tra doping (chuẩn hóa theo chiều cao và sai số đo lường thành phần cơ thể) chỉ ra rằng tiềm năng phát triển cơ bắp tự nhiên tuân theo một phân phối quần thể hơn là một ranh giới cắt duy nhất [11]. Đối với nam giới tự nhiên, mức FFMI chuẩn hóa ~23,0 tương ứng xấp xỉ với phân vị thứ 50 của tiềm năng tự nhiên đã qua tập luyện, trong khi phân vị thứ 97 của các trường hợp ngoại lệ về mặt di truyền có thể đạt ~28,5 [9].

Đối với vận động viên nữ, các trần sinh học có quy mô thấp hơn do mức khối lượng nạc khởi điểm ở trạng thái chưa tập luyện thấp hơn ~30% (FFMI trung bình ở người chưa tập luyện là 15,4 ở nữ so với 18,9 ở nam) [9, 11]. Giới hạn trên cho sự phát triển cơ bắp tự nhiên ở nữ giới ước tính khoảng 20,0 đến 23,5 kg/m², đại diện cho ~80–81% năng lực của nam giới [9, 11]. Ở các vận động viên thể hình nữ ưu tú được kiểm tra doping, các giá trị FFMI tham chiếu thu được từ mô hình 4C đạt trung bình 18,3 ± 1,4 kg/m² ở trạng thái thi đấu (19,7 ± 4,9% BF), trong khi các vận động viên thể hình nam trong cùng nhóm kiểm định 4C đạt trung bình 25,1 ± 1,8 kg/m² (11,8 ± 4,4% BF) [13].

Đối chiếu Sai số Đo lường BIA với việc Diễn giải FFMI

Vì các phép tính FFMI phụ thuộc trực tiếp vào tỷ lệ phần trăm mỡ cơ thể ước tính, sai số đo lường từ thiết bị nền tảng sẽ lan truyền đáng kể vào chỉ số cuối cùng [7]. Biên độ sai số điển hình trên các phương thức đánh giá thành phần cơ thể phổ biến là:

• DXA: ±1% đến 2% [7]
• Phương pháp Thể tích Ký Thay thế Không khí (BOD POD): ±2% đến 3% [7]
• Thước Kẹp Nếp Gấp Da (Skinfold Calipers): ±3% đến 5% [7]
• Trở Kháng Điện Sinh Học (BIA): ±5% đến 8% [7]

Sai số đo lường 5% trong tỷ lệ phần trăm mỡ cơ thể sẽ làm dịch chuyển FFMI tính toán của một cá nhân từ 2,0 đến 3,0 điểm [7]. Ví dụ, ở một nam giới cao 1,80 m nặng 95 kg, một thiết bị ước tính thấp tỷ lệ mỡ ở mức 10% sẽ cho ra FFM là 85,5 kg và FFMI là 26,4 kg/m². Nếu tỷ lệ mỡ thực tế là 15%, FFM thực tế là 80,75 kg, mang lại FFMI là 24,9 kg/m²—vượt qua ngưỡng phát triển cơ bắp tự nhiên kinh điển chỉ đơn thuần do sai số đo lường [7, 8].

Ở các vận động viên đại học (33 nam vận động viên bóng chày, 16 nữ vận động viên thể dục dụng cụ), thiết bị BIA Omron HBF-500 đã đánh giá thấp đáng kể FFMI có nguồn gốc từ DXA ở nam giới (20,6 kg/m² so với 21,1 kg/m², $p=0.007$; tổng sai số = 0,93 kg/m²) và nữ giới (16,2 kg/m² so với 17,5 kg/m², $p=0.001$; tổng sai số = 0,78 kg/m²) [16]. Thiết bị này đã đánh giá thấp FFMI ở 70% nam giới và 100% nữ giới (77% trên toàn bộ mẫu) [16]. Mặc dù vậy, 98% các ước tính từ BIA vẫn nằm trong khoảng ±2,0 kg/m² của tiêu chuẩn tham chiếu DXA [16].

Do đó, MF-BIA phù hợp để theo dõi các xu hướng theo chiều dọc thời gian trên cùng một cá nhân dưới các điều kiện được chuẩn hóa nghiêm ngặt, nhưng các sai số ở cấp độ cá nhân (LOA trải rộng ±6 kg FFM và ±15–20% BF) khiến nó không thể được sử dụng để phân loại dứt khoát trạng thái tự nhiên của một vận động viên so với các trần FFMI lý thuyết [1, 3, 7].