Интегральный одночастотный метод оценки состава тела применяется в медицине более 20 лет и реализуется в десятках типов приборов, выпускаемых фирмами-производителями во многих странах. Он многократно верифицирован с использованием различных эталонных методов и был предметом дискуссий, в которых многие авторы отмечали присущие ему ограничения и недостатки. Тем не менее, на сегодняшний день данный метод можно считать единственным стандартом de facto в области биоимпедансного анализа состава тела, и как всякий стандарт он является основой широкого практического применения соответствующей ему технологии.
Рассматриваемый метод называется интегральным, так как он дает оценку состава всего тела. Для этого необходимо измерять импеданс всего тела. С этой целью электроды располагаются на
Рис. 3.3. Стандартное расположение электродов
запястье правой руки и щиколотке правой ноги, как показано на рис. 3.3. Указанные на рисунке цвета проводов или зажимов, соединяемых с токовыми и измерительными электродами, являются традиционными для многих производителей биоимпедансных анализаторов. Позиции измерительных электродов на линиях сочленения суставов достаточно точно идентифицируются, что способствует воспроизводимости результатов измерений.
Ток протекает через правую руку и правую ногу и захватывает значительную часть туловища (см. рис. 2.13,6}. При этом измеренный импеданс в основном определяется сопротивлениями руки и ноги, как это видно из рис. 3.4. В то же время, основная часть жидкости сосредоточена в туловище. Так что измеряемый объект по своим форме и свойствам существенно отличается от простых моделей на рис. 3.2.
В некоторых публикациях высказывается мнение, что электроды на конечностях должны располагаться ближе к туловищу, чтобы в область измерения не попадали области запястий и щиколоток, которые содержат относительно мало жидкости, но имеют большое сопротивление (Gudivaka et al., 1999). Эти доводы верны. Тем не менее, общепринятой остается методика измерений на стандартном отведении (рис. 3.3).
Как видно из названия метода, измерение выполняется на одной частоте. Эта частота принята равной 50кГц. Как хорошо известно, на такой частоте ток лишь частично проникает в клетки, так что в получаемую оценку ОВО полный вклад вносит только ВКЖ, а
Рис. 3.4. Примерные величины сопротивлений сегментов тела
вклад КЖ оказывается неполным (Ellis et al., 1999; Kyle et al., 2004). Это второе важное замечание, относящееся к интегральному одночастотному методу.
Среднеквадратическое значение тока задается в диапазоне от 0,1 мА до 1 мА. При слишком малом токе ухудшается отношение сигнал/помеха на входе измерительного прибора, что приводит к росту инструментальных погрешностей измерения. Ток более 1 мА может создавать нежелательные эффекты в организме пациента.
Чтобы оценить достоверность интегрального одночастотного метода, обратимся к результатам его верификации. Проводилось сопоставление полученных разными авторами регрессионных формул для основных компонент состава тела (Kyle et al., 2004), причем для каждой формулы приведены сведения об условиях его нахождения, а также значения SEE и r2. Учитывая формулы,
опубликованные в указанной и других работах, запишем общий вид регрессионных уравнений для БМТ и ОВО:
(3.25)
(3.26)
Здесь ДТ — длина тела (см), R50 — активная составляющая импеданса на 50 кГц (Ом), МТ — масса тела (кг), Возр — возраст (лет), Пол = 1 для мужчин и 0 для женщин, Доп — дополнительное слагаемое.
В табл. 3.1 и 3.2 приведены коэффициенты некоторых опубликованных регрессионных формул (Kyle et al., 2004). Прочерк в каком-либо столбце означает, что данное слагаемое отсутствует. В таблицах приведены ссылки на публикации, количество обследованных N, их пол и возраст, величины SEE (кг) и r2. В отдельном столбце указан примененный в эксперименте эталонный метод ЭМ. Использованы обозначения: ГД — гидроденситометрия, то есть определение плотности тела методом подводного взвешивания, РИ — метод разведения индикаторов, РД — рентгеновская денситометрия, К — измерение содержания в организме радиоактивного изотопа калия 40К. Обозначение МК показывает, что в исследовании применялись эталонные методы для нахождения параметров многокомпонентной модели состава тела.
Сопоставляя значения SEE из табл. 3.1 с табл. 1.9, определяющей качество оценки БМТ, можно сделать вывод, что интегральный одночастотный метод обеспечивает точность оценки БМТ, соответствующую баллам “отлично”, “очень хорошо” или “хорошо”. Значения SEE для ОВО из табл. 3.2 для сопоставления с табл. 1.9 необходимо поделить на константу гидратации ГТМ w 0,737. При этом для строки 4 получается “эталонно”, для строк 1 и 3 — “отлично”, для строки 6 — “удовлетворительно”, и для строк 2 и 5 — “плохо”. Однако данные в строках 2, 5, 6 взяты из тех же публикаций, в которых для БМТ получились оценки не ниже “хорошо”, так что низкие оценки для ОВО, возможно, обусловлены особенностями примененных эталонных методов.
Жировую массу тела находят по формуле ЖМТ = МТ — БМТ. Погрешность измерения МТ с помощью современных электронных весов не превышает 0,1кг, поэтому SEE величины ЖМТ оказывается практически равной SEE для БМТ. Известны также примеры
получения регрессионных уравнений непосредственно для ЖМТ. В частности, на выборке из 139 человек c применением в качестве эталона четырехкомпонентной модели состава тела получено уравнение (Heitmann, 1990a)
(3.27)
Основное отличие этой формулы от формул для БМТ и ОВО заключается в знаке минус перед слагаемым, содержащим импеданс- ный индекс ДТ2/#50. Точность оценки ЖМТ получается того же порядка, как и для БМТ: г2 = 0,90, SEE = 3,6 кг.
На частоте 50 кГц можно получить и оценку объема ВКЖ. При этом в качестве эталонного метода применяется введение раствора NaBr или KBr с последующим измерением концентрации брома в крови. Одно из уравнений, полученное на выборке из 40 здоровых
(3.28)
где Xq5о — реактивная составляющая импеданса на 50кГц (Ом), кзд = 1 для здоровых людей и кзд = 2 для Больных. При этом г2 = 0,89, SEE = 1,75 кг. По значениям ОВО и ВКЖ можно по формуле (3.3) найти значение КЖ, то есть оценить все водные секторы по измерениям на одной частоте 50кГц. Но все же для определения величины ВКЖ предпочтительнее использовать более низкие частоты, о чем пойдет речь в следующем разделе.
Еще один параметр состава тела, который можно оценивать интегральным методом на частоте 50кГц, это скелетно-мышечная масса СММ. Уравнение для СММ Было получено на выборке из 388 мужчин и женщин (Janssen et al., 2000):
В качестве эталонного метода применялась магниторезонансная томография, При этом получены значения г2 = 0,86, SEE = 2,7 кг. Мышцы составляют значительную часть Безжировой массы тела, поэтому величины БМТ и СММ должны сильно коррелировать,
В регрессионные формулы для оценки оБъема клеточной жидкости или величины клеточной массы одночастотным методом вводят, как правило, слагаемое, содержащее реактивное сопротивление, Это оБусловлено тем, что значение емкости клеточных мемБран, очевидно, коррелирует с оБщим оБъемом клеток, Поэтому с ростом оБъема КЖ реактивное сопротивление должно уменьшаться (см. п. 2,1), В качестве эталонного метода и для КЖ и для КМТ используется измерение радиоактивности тела по изотопу 40К, так что оценки этих параметров Биоимпедансных методом неразрывно связаны,
Формула для оценки КМТ имеет следующий вид (Dittmar, Reber, 2001):
Формула получена на выБорке из 160 человек 60-90-летнего возраста и дает параметры точности г2 = 0,84, SEE = 1,71 кг.
Объясним смысл переменной Хс5оР. В уравнениях (3.25)- (3.28) присутствовали величины R50 и Хс5о. Это активная и реактивная составляющие импеданса на частоте 50кГц в последовательной модели на рис. 3.5,а. Именно эти параметры измеряет биоимпедансный анализатор. Последовательная модель преобразуется в параллельную модель (рис. 3.5,б) путем пересчета активного и реактивного сопротивлений по формулам:
(3.31)
Присутствие Хс5оР в регрессионном уравнении для КЖ обусловлено тем, что внеклеточная и внутриклеточная среды образуют параллельные ветви электрической схемы (см. рис. 3.1,б).
Значения R5op и Хс5оР можно использовать и при получении регрессионных уравнений для БМТ или ОВО. Параллельная модель обеспечивает примерно такую же достоверность оценки ОВО и, следовательно, БМТ и ЖМТ, как и обычно применяемая последовательная модель (Gudivaka et al., 1999).
Важным параметром биоимпеданса является фазовый угол, значение которого одинаково для последовательной и параллельной моделей. Видимо, возможна оценка КМ, КЖ и коррелирующих с ними параметров через какую-либо функцию фазового угла и величину БМТ. Однако публикации о получении и верификации таких формул пока отсутствуют.
На практике пользователи биоимпедансных анализаторов обычно не занимаются расчетами по каким-либо формулам, а просто получают значения параметров состава тела с дисплея или в виде распечатки. Какие именно расчетные формулы применены
Рис. 3.6. Результаты верификации биоимпедансных оценок жировой массы методом рентгеновской денситометрии (по: Васильев и др., 2005)
в данном анализаторе, производители аппаратуры, как правило, не разглашают. О достоверности результатов измерений различных приборов можно судить по некоторым публикациям, в которых приведены результаты проверки приборов с помощью эталонных методов.
Одна из первых работ такого рода была опубликована еще в 1989 году (Graves et al., 1989). В ней содержались результаты проверки показаний трех доступных в то время биоимпедансных анализаторов с помощью метода подводного взвешивания. Получены значения SEE величины БМТ для мужчин от 2,7 до 3,6 кг (оценка от “очень хорошо” до “довольно хорошо”) и для женщин от 2,2 до
- кг (от “очень хорошо” до “хорошо”).
Результаты оценки ЖМТ с использованием отечественного серийного биоимпедансного анализатора АВС-01 “Медасс” были сопоставлены с данными рентгеновской денситометрии, рассматриваемой в качестве эталонного метода (Васильев и др.,
- . Эксперимент проводился в клинике лечебного питания НИИ питания РАМН. Выборка содержала 60 женщин и 10 мужчин. Значение SEE величины ЖМТ, а, следовательно, и БМТ для всей выборки равно 3,2 кг, что соответствует оценке “хорошо” для мужчин и оценке “довольно хорошо” для женщин. Значение квадрата коэффициента корреляции результатов био- импедансометрии и рентгеновской денситометрии г2 = 0,937.
Из результатов экспериментов (рис. 3.6) следует также, что величина ошибки не коррелирует с измеренным значением ЖМТ или БМТ.
Биоимпедансный анализ по интегральной одночастотной методике позволяет также получать оценку одной из важнейших характеристик метаболизма человека — величины основного обмена. Основной обмен характеризует минимальный расход энергии, необходимый для поддержания процессов жизнедеятельности организма в состоянии покоя. Основной обмен выражается в килокалориях (ккал) или килоджоулях (кДж), выделяемых организмом в единицу времени. Значение основного обмена изменяется при недостаточном или избыточном питании, повышении или снижении физических нагрузок, при заболеваниях, сопровождающихся повышением температуры тела, и под действием других факторов. У здорового человека на протяжении нескольких суток она может испытывать колебания в пределах ±10% от средних значений.
Эталонными методами оценки основного обмена являются прямая и непрямая калориметрия. Эти методы мало доступны для широкого применения, поэтому для косвенной оценки используются антропометрические параметры, такие как длина и масса тела, а также физиологические параметры, связанные с потреблением кислорода, такие как частота дыхания и вентиляционный объем, частота сердечного ритма и минутный объем кровотока.
Возможность оценки основного обмена предусмотрена в программном обеспечении большинства биоимпедансных анализаторов. На рис. 3.7 представлены результаты верификации одночастотного (50кГц) биоимпедансного метода оценки основного обмена, полученные в исследовании смешанной группы пациентов клиники лечебного питания НИИ питания РАМН (п = 280) в широком диапазоне значений индекса массы тела (Хрущева и др., 2009). Биоимпедансную оценку основного обмена вычисляли независимо от пола и возраста по формуле
00 = 52,7 х АКМ - 172,5, (3.32)
где АКМ — активная клеточная масса, определяемая биоимпеданс- ным методом. Полученные оценки сопоставляли с данными непрямой калориметрии. Для этого в исследовании использовали стационарный метаболограф Vmax Spectrum (SensarMedios, США) с ре-
Рис. 3.7. Результаты верификации биоимпедансных оценок основного обмена методом непрямой калориметрии
Рис. 3.8. Диаграмма Бланда-Альтмана для величины основного обмена, оцененной методом биоимпедансного анализа
гистрацией концентрации О2 и СО2 в потоке вдыхаемого и выдыхаемого воздуха с применением дилюционного шлема. Проводилось измерение потребления кислорода и выделения углекислого газа с последующим вычислением энерготрат при помощи программного обеспечения, поставляемого вместе с метаболографом. Измерение основного обмена проводили в состоянии покоя. Перед измерением пациенты не принимали пищу в течение не менее чем 8 часов. При сопоставлении биоимпедансных оценок основного обмена и оценок, полученных методом непрямой калориметрии, коэффициент детерминации составил г2 = 0,817.
Анализ Бланда-Альтмана (рис. 3.8) выявил значимую обратную корреляцию между разностью оценок основного обмена двумя методами (ООбиа-ООнк) и средним значением признака ((ООбиа+ООнк)/2). Из рисунка следует, что в области низких значений основного обмена биоимпедансный анализ дает завышенную, а в области высоких значений — заниженную оценку основного обмена по сравнению с методом непрямой калориметрии. Наиболее согласованные оценки получаются в интервале значений от 1300 до 1700 ккал/сут.
Таким образом, интегральный одночастотный метод оценки параметров состава тела показывает достаточно хорошие результаты по достоверности. С учетом его относительно невысокой стоимости и простоты измерительной процедуры это обеспечивает широкую область применения метода.
Замечания относительно несоответствия человеческого тела простой цилиндрической модели и недостаточности частоты 50 кГц для оценки ОВО справедливы. Однако есть несколько факторов, которые в значительной степени компенсируют эти недостатки интегрального одночастотного метода:
- имеются значимые корреляции величин БМТ и ОВО конечностей и туловища, которые позволяют получать оценку для всего тела, хотя основной вклад в сопротивление вносят конечности (подробнее этот вопрос рассмотрен в п. 3.5);
- существует значимая корреляция значений БМТ и ОВО с массой тела, которая учитывается слагаемым с МТ в регрессионных уравнениях;
- для здоровых людей отношение ВКЖ/ОВО изменяется в узких пределах, что дает возможность получать оценку ОВО на частоте 50 кГц, хотя, как отмечалось выше, на этой частоте в основном измеряется ВКЖ.
Следовательно, достоверность интегрального одночастотного метода основана на объективных закономерностях строения тела человека и свойств биологических тканей.