- Bioimpedanzanalyse im Überblick
- Das Messprinzip der bioelektrischen Impedanzanalyse (BIA)
- Aus den Ergebnissen der BIA-Messung die Körperzusammensetzung bestimmen
- Die Genauigkeit der Bioimpedanzanalyse
- Praktische Durchführung der Bioimpedanzanalyse
- Erfolgskontrolle durch regelmäßige BIA-Messungen
Bioimpedanzanalyse im Überblick
Die Bioimpedanzanalyse liefert schnell, ungefährlich und zuverlässig Informationen zur Vitalität der Zellen und Körperzusammensetzung. Im Verhältnis zum hohen Nutzen bietet diese Methode in der Praxis noch erhebliches Potenzial. Bioelektrische Impedanzanalyse, Bioimpedanzanalyse, Bioimpedanzmessung, BIA-Messung und BIA werden dabei meist synonym verwendet.
Einen ersten Eindruck über den Ablauf der Bioimpedanzanalyse gibt das folgende kurze Video einer Ernährungsberaterin.
Im Video erfolgt die BIA-Messung im Liegen. Dadurch ist die höchste Reproduzierbarkeit erreichbar. Über die BIA-Elektroden wird das BIA-Messgerät kontaktiert. Während der Messung fließt ein sehr schwacher Wechselstrom durch den Körper.
Aus den Messergebnissen werden im Video Körperfett, Magermasse, Phasenwinkel, extrazelluläre Masse, Körperzellmasse und Energiegrundumsatz bestimmt. In diesem Artikel geht es darum, wie das gemacht wird und was man damit anfangen kann.
Hier gibt es eine Beschreibung zur Durchführung und Auswertung der Bioimpedanzanalyse und hier eine Übersicht zu den verschiedenen Messverfahren in den BIA-Geräten.
Das Messprinzip der bioelektrischen Impedanzanalyse (BIA)
Wie wird gemessen?
Zur Messung leitet man einen kleinen Wechselstrom als Messstrom durch den menschlichen Körper. Dieser beträgt meist einige hundert Mikroampere und wird über zwei Elektroden (in den unteren Abbildungen rot dargestellt) in den Körper eingekoppelt.
An zwei weiteren Elektroden (schwarz) wird die Spannung gemessen. Diese Art der Kontaktierung heißt Vierleitermessung und hilft den Einfluss des Hautwiderstandes zu reduzieren.
Die obere Abbildung zeigt schematisch die Bioimpedanzmessung an der linken Körperhälfte von Hand zu Fuß.
Was wird gemessen?
Die BIA-Messung liefert für eine bestimmte Frequenz den Betrag der Impedanz und den Phasenwinkel bzw. die Resistanz und Reaktanz. Von diesen vier Größen sind jeweils nur zwei unabhängig. Kennt man beispielsweise Phasenwinkel und Reaktanz, kann man daraus die Resistanz und den Betrag der Impedanz berechnen. Weitere Informationen sind im Glossar unter Impedanz zu finden.
Der Vergleich von Wechselspannung zu Wechselstrom liefert alle relevanten Informationen. So ist der Betrag der Impedanz der Quotient der Spannungsamplitude zur Stromamplitude |Z|=Umax/Imax. Der Phasenwinkel wiederum entspricht der kleinen Verschiebung zwischen der roten Stromkurve und der blauen Spannungskurve.
Die Abbildung zeigt den Verlauf von Spannung (blau) und Strom (rot) bei der Impedanzmessung.
Kommerzielle Geräte zur bioelektrischen Impedanzmessung erledigen die Messung selbstständig und geben die Ergebnisse von Phasenwinkel und Betrag der Impedanz bzw. Resistanz und Reaktanz als Zahlenwert aus. Das Messgerät kennt die Eigenschaften des durch den Körper fließenden Wechselstroms und vergleicht diesen mit der gemessenen Spannung.
Ist der Betrag der Impedanz groß, so benötigt man eine höhere Spannung, um einen bestimmten Strom durch den Körper zu leiten. Die Impedanz ist daher der Widerstand, den ein Körper dem Wechselstrom entgegenbringt.
Einfluss der Körpergeometrie auf den Betrag der Impedanz
Die Geometrie des menschlichen Körpers hat einen wichtigen Einfluss auf Resistanz R, Reaktanz X und damit auf den Betrag der Impedanz |Z|. Wird der menschliche Körper vereinfachend in zylindrische Segmente zerlegt, können die gemessenen Impedanzwerte als Summe aus einzelnen Zylindern verstanden werden.
Je größer die Länge L und je geringer der Querschnitt A des Zylinders, umso größer die Impedanz. D.h. |Z| ∼ L/A. Für das Volumen des Zylinders gilt V=A · L bzw. A=V / L. Damit kann man A eliminieren und es ergibt sich |Z| ∼ L² / V bzw. V ∼ L² / |Z|.
Die letzte Gleichung findet sich wieder bei der Berechnung des Gesamtkörperwassers, da dieses proportional mit dem Körpervolumen zunimmt. Teilt man den Körper gedanklich in Körperfett mit einem sehr geringen Anteil an Wasser und fettfreie Masse (FFM), die den wesentlichen Anteil des Körperwassers enthält, so ist das Wasser der FFM wesentlich für die elektrische Leitfähigkeit verantwortlich ist.
Durch den geringen Querschnitt und die größere Länge haben Arme und Beine einen wesentlich höheren Einfluss auf die gemessenen Werte, als der Rumpf. Nur etwa 10 % der Werte des Betrags der Impedanz |Z| werden durch den Rumpf bestimmt.
Muskelaufbau bzw. -abbau verändern den Leiterquerschnitt der einzelnen Widerstandssegmente und beeinflussen dadurch die Impedanzmessung. Bei Kindern kommen durch das Körperwachstum noch wesentliche Veränderungen der Länge hinzu.
Reaktanz und Resistanz sind beide proportional zur Länge und umgekehrt proportional zum Querschnitt eines Leiters. Durch den Quotienten Reaktanz/Resistanz in der Berechnungsformel für den Phasenwinkel φ = arctan(X/R) folgt, dass der Phasenwinkel kaum von der Geometrie abhängig ist. Die vergleichbare Abhängigkeit von Länge und Querschnitt tritt sowohl in Zähler und Nenner auf, also bei Reaktanz und Resistanz und kompensiert sich dadurch.
Was bei der Bioimpedanzanalyse nicht gemessen wird
Viele Missverständnisse entstehen durch die Meinung, dass die BIA-Messung Körperfett, Muskelmasse oder den Energieverbrauch des Körpers misst. Auch wenn es spitzfindig klingt: Das stimmt so nicht und führt zu Problemen.
Bei der BIA-Messung wird, wie der Name sagt die Impedanz, bzw. der Wechselstromwiderstand bei einer bestimmten Frequenz gemessen. Dieser besteht aus zwei Teilen.
Der erste Teil des Wechselstromwiderstandes wird durch die Leitfähigkeit des Körpers bestimmt und heißt Resistanz. Die Resistanz ist um so höher, je geringer die Leitfähigkeit ist.
Der zweite Teil des Wechselstromwiderstandes wird hauptsächlich durch die Zellmembranen unserer Körperzellen erzeugt. Diesen nennt man Reaktanz. Diese zeigt sich durch eine Verschiebung zwischen dem Strom und der Spannung während der BIA-Messung. Nur aktiv am Stoffwechsel beteiligte Zellen haben Einfluss auf die Reaktanz, Fettzellen hingegen kaum.
Bevor wir uns ansehen was wir mit den Messwerten Resistanz und Reaktanz anfangen können, möchte ich noch auf den m.E. spannendsten Wert der Bioimpedanzanalyse eingehen. Je nach Messverfahren wird dieser Wert direkt gemessen oder aus dem Verhältnis von Reaktanz zu Resistanz berechnet.
Dieser wichtige Wert ist der Phasenwinkel! Er steht für die Vitalität und den Ernährungszustand der Zellen. Im Artikel über den Phasenwinkel gibt es alle Details.
Aus den Ergebnissen der BIA-Messung die Körperzusammensetzung bestimmen
Wie man aus der Resistanz das Gesamtkörperwasser bestimmt
Je mehr Wasser der Körper enthält, desto kleiner ist die Resistanz und umgekehrt. Hier liegt der Ansatz, wie man aus der Resistanz die Menge an Gesamtkörperwasser ermittelt.
Allerdings hängt die Resistanz noch von anderen Faktoren wie Körpermasse, Körpergröße und Geschlecht ab. Schwankungen in der Salzkonzentration des Körper (Elektrolyt) haben ebenfalls einen Einfluss. Dieser ist jedoch meist gering.
Um den Zusammenhang zwischen Resistanz und Gesamtkörperwasser zu ermitteln, benötigt man deshalb Formeln. In Studien mit mehreren hundert Teilnehmern werden dazu BIA-Messungen und gleichzeitig Vergleichsverfahren zur Körperwasserbestimmung durchgeführt. Beim Körperwasser ist das z.B. DEXA (“dual-energy X‑ray absorptiometry”).
Daraus leitet man mit statistischen Verfahren Schätzformeln für das Körperwasser ab. Analog ist die Vorgehensweise für die andere Körperwerte. Diese Formeln ergeben deshalb nur Schätzwerte für eine einzelne Testperson. Eine “exakte Messung” des Gesamtkörperwassers oder anderer Körperwerte ist nicht möglich.
Das gilt aber auch für alle anderen Referenzverfahren! Warum können BIA, DEXA oder NMR keine Körperwerte messen? Weil man immer nur physikalische Eigenschaften wie Widerstände oder Absorptionsraten bestimmt und erst über ein Modell also indirekt daraus die Körperwerte ableitet.
Daher haben auch die meisten Produkttests z.B. von Körperanalysewaagen nur eine geringe Aussagekraft. Es wird eine indirekte Methode mit einer anderen verglichen. Besser wäre da schon der Test, wie gut Körperveränderungen von den jeweiligen Produkten erkannt werden.
Die Stärke der Bioimpedanzanalyse zur Bestimmung der Körperzusammensetzung liegt nicht in ihrer absoluten Genauigkeit, sondern im Nachweis von Veränderungen in der Körperzusammensetzung! Beginnt jemand Sport zu treiben oder macht eine Ernährungsumstellung werden die Effekte mit der Bioimpedanzanalyse sichtbar.
Gesamtkörperwasser, Körperfett und Magermasse
Die Waage liefert die Masse für den Körper als Ganzes — als ein Körperkompartiment. Setzt man diese mit dem Quadrat der Körpergröße in Beziehung, erhält man den BMI — body mass index. Man spricht manchmal vom 1‑Kompartiment-Modell.
Inzwischen ist die Schwäche dieser einfachen Betrachtung weit bekannt. Ein Kraftsportler hat bei einem BMI von 27 vielleicht eine perfekte Körperzusammensetzung, ein Sportmuffel fühlt sich bereits übergewichtig. Hier hilft die Bioimpedanzanalyse weiter.
Im nächsten Schritt wird der Körper in zwei Teile (Kompartimente) dem Körperfett und der Magermasse (fettfreie Körpermasse) eingeteilt. Körperfett enthält im Vergleich zum Rest des Körpers sehr wenig Wasser. Deshalb kann man aus dem Gesamtkörperwasser die Magermasse bestimmen.
D.h. aus der Resistanz ermittelt man wie oben beschrieben das Gesamtkörperwasser und daraus die Magermasse. Diese bildet zusammen mit dem Körperfett die Gesamtmasse.
Mit Reaktanz und Phasenwinkel die Qualität der Magermasse bestimmen
Das 3‑Kompartiment Modell
Die Magermasse setzt sich zusammen aus den Körperzellen der Muskeln und Organe und der extrazellulären Masse (Blutplasma, Knochen, usw.). Damit ergeben sich drei Kompartimente für die Struktur des Körpers Fett, Muskeln und Organe sowie extrazelluläre Masse.
Die Bestimmung der Muskel- und Organmasse erfolgt ebenfalls durch Schätzformeln. Dabei bedeuten Muskel- und Organmasse, intrazelluläre Masse, Masse der stoffwechselaktiven Körperzellen dasselbe.
Der Phasenwinkel als Indikator für die Vitalität der Zellen
Auch die Reaktanz wird z.B. durch die Körpergröße beeinflusst. Der Phasenwinkel als das Verhältnis aus Reaktanz und Resistanz hingegen nicht (genauer der Arkustangens von Reaktanz / Resistanz). Es ist daher besser, für die Analyse der Magermasse den Phasenwinkel zu verwenden.
Folgende Eigenschaften der Magermasse bestimmen den Phasenwinkel. Das sind die Menge der Zellmembranen, ob die Membranen intakt sind und das Membranpotential.
Warum diese Faktoren den Phasenwinkel beeinflussen, ist im Artikel Phasenwinkel und Vitalität genauer erklärt. Da mehrere Faktoren den Phasenwinkel beeinflussen können, ist ein Rückschluss auf den jeweiligen Einflussfaktor leider nicht möglich.
Die Menge der Zellmembranen wird durch die Muskel- und Organmasse definiert. Ist deren Masse niedrig im Vergleich zur gesamten Magermasse, ist meist der Anteil an extrazellulärem Wasser hoch. Dadurch fließt ein höherer Anteil des Wechselstroms außerhalb der Zellen. Da nur die Zellmembranen den Phasenwinkel verursachen ist dieser folglich klein.
Zum Glück wirken alle drei Faktoren in dieselbe Richtung. Die Erhöhung der Anzahl der Körperzellen, die Verbesserung der Integrität der Zellmembran und die Erhöhung des Membranpotentials bewirken jeweils eine Erhöhung des Phasenwinkels. Die Erhöhung des Phasenwinkels gilt deshalb als Indikator für bessere Vitalität und Ernährungszustand.
Das Verhältnis von extrazellulärer zu Muskel- und Organmasse — ECM/BCM-Verhältnis
Die extrazelluläre Masse bezeichnet man oft als ECM (extra cellular mass) und die Muskel- und Organmasse als BCM (body cell mass). Das ECM/BCM-Verhältnis ist ein weiterer Indikator zur Qualität der Magermasse. Es sollte möglichst kleiner 1 sein. Bei Leistungssportlern kann dieses Verhältnis sogar Werte von 0,6 erreichen. Frauen haben meist etwas höhere Werte als Männer.
Gründe für ein hohes ECM/BCM Verhältnis können geringe Muskel- und Organmasse oder Wassereinlagerungen sein.
Die Genauigkeit der Bioimpedanzanalyse
Man muss zwischen der Genauigkeit der eigentlichen Messwerte, also Resistanz, Reaktanz bzw. Phasenwinkel und den daraus abgeleiteten Werten der Körperzusammensetzung unterscheiden.
Die Genauigkeit der Messwerte wird durch die Genauigkeit des Messgeräts, den richtigen BIA-Elektroden und ihrer Platzierung bestimmt. Eine Messung direkt nach intensiven Training mag zu anderen Messwerten führen als davor. D.h. jedoch nicht, dass die Messwerte ungenau sind.
Gute Messgeräte erreichen für die Resistanz Werte kleiner als ±1 Prozent und für die Reaktanz, die wesentlich schwieriger zu messen ist ±3 Prozent. Allerdings handelt es sich um die absolute Genauigkeit. Die relative Genauigkeit für nacheinander folgende Messungen ist meist höher.
Die meisten Anwender möchten gern wissen wie groß die Abweichungen zwischen der mit der BIA bestimmten Körperzusammensetzung und der tatsächlichen Körperzusammensetzung ist. Da es kein Verfahren gibt, dass die Körperzusammensetzung direkt misst, kann man hier nur schätzen.
Bei einem “normalen” Körperbau liegt man z.B. für die Magermasse wahrscheinlich innerhalb eines Bereichs von ± 5 Prozent. Wesentlich wichtiger ist die relative Genauigkeit bezogen auf Unterschiede zwischen nachfolgenden Messungen mit der gleichen Testperson. Diese liegt bei richtiger Messdurchführung und bei der Messmethode im Liegen wesentlich höher.
Praktische Durchführung der Bioimpedanzanalyse
Hier gibt es eine detaillierte Schritt-für-Schritt-Anleitung zur liegend durchgeführten BIA-Messung und Auswertung. Dafür benötigen Sie ein BIA-Messgerät und zur Auswertung eine Software. Als Software können Sie z.B. die kostenlose Web-App nutzen, die in jedem modernen Webbrowser funktioniert.
Das BIA-Messgerät
Am häufigsten ist die BIA-Messung stehend auf einer Körperanalysewaage und die Messung im Liegen mit Hautelektroden. Bei Körperanalysewaagen gibt es solche mit Elektroden auf der Waage (Fuß zu Fuß Messung) und solche mit zusätzlichen Handelektroden.
Waagen sind bequemer nutzbar, liefern jedoch nach meiner Erfahrung eine geringere Reproduzierbarkeit im Vergleich zur Messung im Liegen. Durch die liegende Position ergibt sich eine gleichmäßigere Verteilung des Körperwassers. Für Verlaufsmessungen zur Erfolgskontrolle, bei denen kleine Änderungen gemessen werden müssen, ist deshalb die BIA-Messung im Liegen besser geeignet.
Hinsichtlich der messtechnischen Eigenschaften gibt es verschiedene BIA-Messgeräte. Z.B. solche die nur die Resistanz bei einer Frequenz messen oder Geräte die auch noch den Phasenwinkel bzw. die Reaktanz ermitteln. Im Artikel über die Technik zur Bioimpedanzanalyse in der Praxis gibt es dazu einen Überblick.
Entscheidend ist die möglichst genaue Messung des Phasenwinkels, um seriöse Aussagen über die Qualität Magermasse und Veränderungen in der Muskulatur zu ermitteln.
Im Webshop biete ich ein BIA-Gerät an, dass diese Anforderungen erfüllt. Es handelt sich um den Vitalsensor BIA-PAD. Zur Unterstützung der richtigen Auswahl eines BIA-Gerätes hilft Ihnen die Seite über BIA-Produkte.
Software zur Auswertung der BIA-Messung
Viele BIA-Messgeräte zeigen direkt die Messwerte Resistanz, Reaktanz und Phasenwinkel an. Bereits mit dem Phasenwinkel als globaler Indikator für die Vitalität können Sie wichtige Veränderungen direkt beobachten. Um jedoch daraus die Körperzusammensetzung zu bestimmen oder Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten zu vergleichen, benötigen Sie Software.
Die meisten professionellen BIA-Geräte bieten dazu eine PC-basierte Auswertungssoftware, die über eine Datenbank für Klienten bzw. Patienten verfügen. Der Datenaustausch erfolgt manuell, per USB oder über Funk mit Bluetooth.
Auswertungssoftware für das Smartphone ist aktuell noch rar, deshalb biete ich die BIA App kostenlos an. Das ist es eine Web-App, die Sie auch ohne Internetverbindung nutzen können.
Für die BIA App benötigen Sie die Messwerte Resistanz und Reaktanz aus einer Messung im Liegen. Wie die Auswertung der Bioimpedanzanalyse grundsätzlich funktioniert, erfahren Sie im Artikel über die praktische Durchführung und Auswertung der BIA-Messung.
Für Nutzer des Vitalsensors BIA-PAD, die eine Datenbank benötigen und umfangreichere Auswertungen durchführen möchten, gibt es BIA Software z.B. easyBIA.
Erfolgskontrolle durch regelmäßige BIA-Messungen
Veränderungen in der Körperzusammensetzung vollziehen sich glücklicherweise meistens langsam. Ist ein Mensch im Alltag eingebunden, befindet sich also in seinem Trott, kommt es nur allmählich zu Veränderungen. Manchmal findet man Aussagen zur Gewichtszunahme ab dem 40 Lebensjahr von einem Kilogramm pro Jahr.
Regelmäßige BIA-Messungen sind sinnvoll, wenn jemand gezielt seine bisherige Lebensweise ändern möchte, z.B. um abzunehmen oder Muskeln aufzubauen. Dann sind auch Änderungen in der Körperzusammensetzung und Vitalität zu erwarten.
Meistens erfordern derartige Änderungen der Lebensweise erhebliche Willensanstrengungen. Hier unterstützt die Verlaufskontrolle mit der Bioimpedanzmessungen, auch kleine Erfolge sichtbar zu machen.
Beim Abnehmen durch drastische Reduktion der täglichen Energieaufnahme kommt es oft zum unerwünschten Abbau von Muskel- und Organmasse und dem damit verbundenen Risiko des Jojo-Effekts. Die Auswertung mit der BIA zeigt diesen Abbau. Ernährungsberater und Fitnesstrainer können durch individuelle Maßnahmen gegensteuern.
Gerade körperliches Training kann bei Untrainierten zu wünschenswertem Muskelaufbau führen, verhindert jedoch dadurch die kurzfristige Gewichtsreduktion. Dann wirkt der messbare Nachweis der bereits erzielten Fortschritte motivierend.
● Zellvitalität und Körperzusammensetzung ändern sich die meiste Zeit wenig
● drastische Veränderungen der Körperzusammensetzung erfolgen bei Änderung der Lebensweise
● Erkennen von Fehlentwicklungen, z.B. beim Abnehmen — Jo-Jo-Effekt durch Muskelabbau verhindern
● Motivation durch messbare Körperveränderung