2. Physikalische Grundlagen der BIA

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2.
Physikalische Grundlagen der BIA-Messung
Der Körper setzt dem Wechselstrom einen Wechselstromwiderstand entgegen, der als Impedanz
bezeichnet wird. Wenn man vom Körperwiderstand spricht, nennt man die Impedanz
„Bioelektrische Impedanz“, die sich aus den beiden Widerständen Resistanz (Rz) und Reaktanz
(Xc) zusammensetzt. Bei der phasensensitiven bioelektrischen Impedanzanalyse werden folgende
Impedanzkomponenten gemessen:
2.1
Resistanz Rz
Das Körpergewebe verhält sich im Wechselstrom wie ein einfacher elektrischer Leiter, der dem
Strom einen ohmschen Widerstand entgegensetzt. Dieser Widerstand wird Resistanz (Rz)
genannt. Auf Basis der physikalischen Grundlagen lassen sich mit Hilfe der bioelektrischen
Impedanzmessung unter Anwendung von anatomischen und physiologischen Erkenntnissen
Körperkompartimente bestimmen. Die mathematischen Grundlagen hierfür sind in erster Linie vom
bekannten Ohmschen Gesetz (für ideale Leiter) abgeleitet.
Ohmsches Gesetz:
U=R·I
U = Spannung [V], R = Widerstand [Ohm], I = Stromstärke [A]
Der Widerstand eines in Längsrichtung durchflossenen elektrischen Leiters hängt von folgenden
Parametern ab:
Länge (L)
Leiterquerschnitt A
:
:
Spez. Widerstand (ρ) :
je länger der Messkörper, desto höher wird der Widerstand
je größer der Querschnitt A desto niedriger wird der Widerstand
je größer der spez. Widerstand, desto höher der Widerstand.
Länge (L)
ρ
A
Spez. Widerstand (ρ) x Länge (l)
Elektr. Widerstand R =
Leiterquerschnitt A
Für die Berechnungen der Körperzusammensetzung ist die Kenntnis der Körpergröße als
Äquivalent zur „Leiterlänge“ essentiell. Die Bestimmung des „Leiterquerschnittes“ ist leider nicht
korrekt möglich, da die Gewebe im menschlichen Körper unterschiedlich hohe Widerstände haben.
(siehe folgende Seite) .
Die Leitfähigkeit des menschlichen Gewebes ist (je nach Geschlecht) bei gesunden Probanden
innerhalb geringer Grenzen gleichbleibend. Dies ermöglicht erst eine zuverlässige Auswertung der
Körperzusammensetzung mittels der Impedanztechnologie.
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Der spez. Widerstand (ρ) ist im menschlichen Körper je nach Gewebe stark unterschiedlich:
Der spez. Widerstand von Körperfettgewebe und
Skelettknochen ist so hoch, dass der Messstrom diese
Körperbereiche nicht durchflutet.
Die Impedanzmessung findet daher praktisch nur in gut
durchbluteten (stark wasserhaltigen) Geweben statt.
Diese Erkenntnis ermöglicht die Aufteilung des Körpers
in die 2 Kompartimente Körperfett und „Fetfreie
Masse“.
Der spez. Widerstand hängt zudem von der
Messfrequenz und je nach medizinischem Einzelfall
von Hydratations-Schwankungen und Elektrolytschwankungen ab.
2.2
Reaktanz Xc
Die Körperzellen wirken - bedingt durch die Zellmembranen - wie Kugelkondensatoren, die dem
Wechselstrom einen kapazitiven Widerstand entgegensetzen (Reaktanz Xc). Die Zellmembranen
(Lipiddoppelmembran) nehmen hierbei die Funktion des schlecht leitenden Isolators zwischen zwei
Kondensatorplatten ein. Durch Messung der Reaktanz (Rz) sind Rückschlüsse auf die Zellmasse
und das zellulär gebundene Körperwasser möglich .
Abb.2: Parallelwege des Stroms im Körper:
Rz = Ohmscher Widerstand
(Flüssigkeitsabhängig)
~
~
50 kHz
50 kHz
Xc = kapazitiver Widerstand
Bei 50 kHz Messfrequenz durchfliesst der Messstrom sowohl die Körperzellen als auch den
Extrazellulärraum.
An der Zellmembran entsteht der kapazitive Widerstand, der vom BIACORPUS RX 4000
gemessen und als Xc im Display angezeigt wird.
Die Messgröße Rz entspricht dem Realteil des Gesamtwiderstandes Z.
Die Kenntnis von Resistanz und Reaktanz durch Messung mit dem Bioimpedanzanalysator gibt
Auskunft über die Verteilungsräume des Körpers:
Aus den Messgrößen Resistanz und Reaktanz und Phasenwinkel kann über statistische
Korrelationen zwischen extrazellulären und intrazellulären Körperkompartimenten unterschieden
werden.
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2.3
Phasenwinkel PA
Im Wechselstromkreis wird ein Kondensator bei
jedem Anwachsen der Spannung geladen und
während des Abklingens der Spannung wieder
entladen. Da sich Körperzellen modellhaft wie
Kugelkondensatoren verhalten, stellt auch die
Zelle dem Anwachsen und Abklingen des
Stromes einen Widerstand entgegen. Der
kapazitive Widerstand eines Kondensators (Xc)
im
Wechselstromkreis
führt
zu
einer
Phasenverschiebung zwischen Strom und
Spannung, wobei der Strom der Spannung
vorauseilt :
Phasenwinkel (PA) = arctan Xc / Rz
Der Phasenwinkel im menschlichen Körper ist abhängig von der Masse, Integrität und Hydratation
der Fettfreien Masse und wird häufig als Indikator für den Zustand der Zellmasse herangezogen.
Der Phasenwinkel verringert sich häufig beim Abbau von Zellmasse und kann somit zur
Bestimmung des Ernährungszustandes herangezogen werden.
PA im Verlauf:
- abnehmende Phasenwinkel können durch eine zunehmende
extrazelluläre Wassermenge (ECW) verursacht werden. Die
häufigsten Ursachen sind:
- Muskelabbau (Kachexie) oder Überwässerung des
Extrazellulärraumes als Folge einer Störung des Wasserhaushaltes (z.
B. Niereninsuffizienz).
- steigende Phasenwinkel können durch Dehydratation und/oder
Aufbau von Zellmasse erklärt werden.
Beispiel Kartoffel: frisch PA = ca. 54°
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vs. gekocht PA= 5,4° da Zellstrukturen zerstört!
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