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Physikalische Grundlagen zur Impedanzmessung

Die bioelektrische Impedanzmessung ist eine rein physikalische Messung von Körperwiderständen im Wechselstromfeld. Das Verständnis der physikalischen Grundlagen erleichtert die Arbeit mit einem BIA-Messgerät und bildet die Basis für eine fundierte Interpretation der Messwerte. Die folgende Zusammenfassung der wichtigsten physikalischen Grundlagen liefert das Basiswissen für die Physik der bioelektrischen Impedanzanalyse mit den BIACORPUS Messgeräten:

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.

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:

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

 

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.

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.

 

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.

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.

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:

 

 

 

 

 

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°

gekocht PA= 5,4° da Zellstrukturen zerstört

 

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