生物电阻抗分析的临床应用

毛 雅， 姚 颖

华中科技大学同济医学院附属同济医院肾内科，武汉 430030

水、蛋白质、脂类、碳水化合物和矿物质构成了人体的细胞、组织和器官。在健康人体内，这些分子的含量时刻保持动态平衡，任何成分过剩或缺乏，甚至是同一个体双侧肢体成分含量的失衡都可能导致严重的代谢紊乱[1]。因为人体各部分组成成分含量有所差异，电流通过人体各个节段(右上肢、左上肢、躯干、右下肢和左下肢)时的电阻和阻抗就有所不同。生物电阻抗分析(bioelectirc impedance analysis，BIA)是检测通过4个肢体接触电极所产生的微弱电流，结合患者身高、体重、年龄等数据来评估其身体各组分分布情况及营养状况的一种检查手段[2]。事实上，早在1939年之前苏联生物物理学家Boris N.Tarusov就提出了生物阻抗的概念并获得了第一个关于生物阻抗的苏联专利。目前，临床上BIA主要用于测量人体组成成分，分析4种主要身体组分(水、蛋白质、矿物质和脂肪)的具体含量及其在人体中的分布情况。在一些国家，例如俄罗斯，早已建立自己的BIA数据库，并与WHO所公布的人体数据进行对比从而更加严谨的描述当地人群，尤其是儿童、青少年的生长轨迹[3]。BIA作为一种检测和评估体脂含量、肌肉含量尤其是容量负荷的综合性手段，对于量化监测身体各项指标，后期在改善被测者容量负荷、营养状况、肥胖程度等方面均有重要的临床指导价值。

1 BIA在量化容量负荷方面的临床应用

1.1 BIA在整体容量管理方面的应用

在健康成人中，细胞内水和细胞外水之间的标准水合状态保持在62∶38的比例[4]。容量超载定义为正常人群90%及以上的水化值过高[5]。临床上多采用“水肿”描述患者容量超载程度。水肿是大多数肾功能不全或心脏功能不全患者的首要症状。心源性水肿多从双下肢或身体低垂部位开始，而肾源性水肿则多表现在颜面部。水肿症状的出现和加重往往预示着病情较重及预后不良，根据患者临床表现，水肿可分为显性水肿和隐性水肿两类。研究表明，当组织间隙液体增加超过正常值30%(即增加4～5 L)时，才会出现显性水肿[6]。临床工作中，显性水肿可以通过简单体格检查及临床症状加以甄别，而隐性水肿则容易漏诊。因此，鉴别隐性水肿对早期发现疾病更为重要。一项既往横断面研究发现，利用生物电阻抗法对老年高血压患者容量负荷进行分析[通过BIA检测患者细胞外液量/总体水量(ECW/TBW)值来评估容量负荷状态]，据此来调整老年高血压患者的治疗方式和生活方式，从而更好地帮助患者控制血压，降低心血管事件风险[7]。Massari等[8]在一项回顾性研究中证实生物电阻抗技术评估的充血状态是急性心衰患者总住院时间的阳性预测指标，临床上通过快速准确地检测充血状态并对急性心衰患者进行对症治疗，可延长患者的生存时间，缩短住院时间，降低住院费用。

肾源性水肿是由多种原因引起的肾小球滤过减少或肾小管重吸收增加，导致钠水潴留、细胞外液增多，引起组织疏松部分不同程度的水肿，多见于肾病综合征患者或肾脏病后期。Tsai等[9]用相对水合状态(多余水/细胞外水)来表示液体过载的严重程度，研究观察到478例慢性肾脏病4～5期患者多余水/细胞外水每增加1%，患者全因死亡或心血管疾病的复合终点事件增加8%(95%置信区间为1.04～1.12，P<0.001)。另有研究显示，液体超载已经成为透析患者全因或心血管死亡的独立危险因素[10-11]。目前公认的容量评估“金标准”是同位素稀释法，即氚和溴化钠稀释法，但该方法操作复杂且费时、费力，暂未在临床上普及。大多数临床医生主要依据临床经验和辅助检查对患者的容量负荷进行判断，包括双下肢及颜面部水肿情况、脑钠肽(BNP)指标、胸片评估心胸比、超声测量下腔静脉宽度等。然而，这些液体状态的间接测量指标会受到血管内水合作用、心功能障碍和肾脏疾病进展等多因素的影响，因此存在较大的的偏倚[9]。Wabel等[12]在1000例健康受试者与液体超载患者中比较了生物电阻抗法和同位素稀释法检测身体容量负荷的准确性，结果显示生物电阻抗法与同位素稀释法具有很高的一致性。相比之下，生物电阻抗技术则更加安全、简单、客观、经济。目前已有研究表明，利用生物电阻抗分析法评估维持性血液透析患者的容量负荷可以减少透析不良事件——低血容量的发生，维持更高质量的血液透析[13]。另有研究发现，在腹膜透析患者中利用生物电阻抗技术进行人体成分分析协助控制容量负荷6个月后，与对照组相比患者总体生存率显著上升且透析不良事件发生率显著降低(对照组利用传统评估方式：体质量、血压、水肿情况)[14]。

干体重是指患者在不发生透析相关低血压或其他脱水症状情况下可以耐受的最低体重，是临床医生评估患者透析是否充分的重要指标。2015年肾脏病生存质量指南(kidney disease outcomes quality initiative，KDOQI)指出，BIA对干体重的评估有突出应用价值。利用BIA测量透析患者的干体重，指导其容量管理，能明显改善患者透析前收缩压、左心室质量指数和动脉僵硬度，从而改善治疗效果并提高患者生活质量[15]。

容量超负荷是终末期肾脏病患者的常见并发症，血液透析是该类患者的重要治疗手段。因此，结合生物电阻抗技术对透析患者容量负荷进行动态监测，更好地进行容量管理并及时采取治疗措施将有助于提高慢性肾脏病透析患者的生活质量及预后。

1.2 BIA在节段容量控制方面的应用

BIA除可以检测整体容量外，也可以检测经过各节段肢体的微电流，从而有助于明确患者各部分的水分、肌肉及脂肪分布情况。单侧肢体水肿可由一系列局部或全身性疾病引起，例如血流动力学障碍、血管机械性狭窄、原发性或继发性淋巴疾病等。因此，利用生物电阻抗技术对一些影响水分节段分布的疾病进行规律、定期的监测，将有助于改善该类患者的远期预后。慢性静脉疾病发病早期多无明显临床症状或体征，易被忽视。目前，已有研究证实BIA测量的人体成分相关指标与慢性下肢静脉功能不全存在一定的相关性，包括体质量指数、下肢肌肉量、肢体水肿情况等[16]。Cardoso等[17]在一项随机交叉对照研究中，利用生物电阻抗技术详细评估了11名腿部溃疡患者治疗前后及在不同治疗方法下双下肢细胞外水和全身水总量及两者比值的变化。结果显示，在慢性静脉性溃疡患者中，加压疗法(Unna靴)比非加压疗法(常规敷料)更能有效地预防下肢水肿。同理，利用生物电阻抗技术检测双侧肢体节段水分分布，有助于早期发现维持性血液透析患者动静脉内瘘狭窄，将为防治内瘘狭窄提供新的更有效的检测方法和评估手段。

2 BIA在体重管理方面的临床应用

2015至2019年中国肥胖患病率为6.8%，6岁以下儿童肥胖率为3.6%，超重率11.1%；6～17岁儿童和青少年肥胖率为7.9%，超重率34.3%；成人(≥18岁)肥胖率为16.4%[18]。随着经济条件的改善和全民健康意识的提升，人们越来越重视自身身体健康及体态。根据代谢特征的不同，脂肪组织主要分布在人体的两个部分：皮下脂肪组织(SAT)和内脏脂肪组织(VAT)。由于内脏肥胖与多种慢性疾病，例如慢性肾脏病[19]、心血管疾病[20]、内分泌相关疾病[21]等的预后不良、代谢紊乱和病理程度有关，因此量化脂肪组织并特异性描述总脂肪组织中VAT显得尤为重要[22]。目前，临床上主要根据身体质量指数(body mass index，BMI)、腰围、腰臀比、腰围身高比等来初步判断受测者肥胖程度。各种指标的合理性和优点也各不相同。WHO将男性体脂率(body fat，BF)≥25%，女性BF≥35%且BMI<25 kg/m2定义为隐性肥胖。王珊等[23]对BMI在正常范围的隐性肥胖患者在人群中的分布特征及其与慢性疾病指标的相关性进行研究，发现隐性肥胖与慢性病的发生密切相关，且随着年龄的增大，人群隐性肥胖发生率会有增高的趋势。虽然BMI与人群体脂率存在很强的相关性，但其对特定个体体脂率的预测能力因性别、年龄和种族、民族而不同[24]，最重要的是BMI不能区分脂肪量和去脂质量，因此也不能识别皮下脂肪和内脏脂肪之间的差异。经研究证实，BIA测量肥胖患者的体脂百分比、脂肪量、去脂质量与公认的空气位移体积描记法无明显差异[25]。而2020年吴金枝等[26]在一项前瞻性研究中，利用双生物电阻抗分析(dual bioelectrical impedance technique，dBIA)评估2型糖尿病患者内脏脂肪面积，发现dBIA测量内脏脂肪的准确性与CT相同。Lee等[27]关于儿童非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)预测因素的研究证实，BIA检测指标较传统人体测量指标具有更强的疾病预测价值，BIA参数是儿童NAFLD的预测因素，且BIA参数联合BMI和人体测量指标较单独BMI z评分(BAZ)的预测性更好。曾强等[28]利用生物电阻抗技术研究体脂成分与心血管病危险因素之间的相互关系，表明BIA检测的体脂肪率与心血管事件相关，且相关程度高于常见的BMI和腰臀围比。由此可见，BIA对人体脂肪组织质量及分布的描述相较于传统测量方式更显优势。

目前，已有一款单指的腕式可穿戴生物电阻抗分析仪面世，这将进一步简化肥胖患者在日常生活中的体脂检测，便于肥胖患者能更好地进行自我监测与管理[29]。综上，利用生物电阻抗技术定期检测患者体脂情况，便于临床工作中监测肥胖或肥胖相关并发症的发生发展，若能及时调整生活方式和用药方案，将有利于降低肥胖患者相关疾病的发病率，改善患者远期预后。

3 BIA在骨骼肌测量方面的临床应用

除身体容量负荷、脂肪分布外，利用生物电阻抗技术还可以测量患者肌肉含量。肌肉减少性肥胖伴炎性细胞因子的产生，导致肌肉力量和肌肉质量大幅度下降，肌肉的氧化能力和身体机能同时也会降低。而且，这一变化会随着慢性疾病的出现而加速，如骨关节炎、心力衰竭、糖尿病或癌症[30]。临床上患者体重的减少并不能准确评估身体成分变化，无脂质量(FFM)、骨骼肌(SM)和内脏脂肪以及皮下脂肪的比例在具有相同BMI的个体之间有显著差异[31-32]。患者不一定随着体重的变化而以相等的速度增加或减少脂肪和肌肉组织。亚洲肌少症工作组(AWGS)2014共识将肌少症定义为与年龄相关的肌肉质量损失，加上肌肉强度低和/或身体机能低下，并对诊断的具体条件进行详细定义[33]。BIA目前已经被指南推荐用于肌少症的检测。肌少症在肿瘤患者中并不少见，且化疗前的肌肉减少症可预测患者化疗毒性、反应降低、残疾增加、抗肿瘤反应和生存率差异[34]。Aleixo等[35]关于BIA在成人癌症肌肉减少症检测中的应用的荟萃分析中证实，BIA是一种检测成人癌症患者治疗前肌少症的准确方法，在肿瘤临床实践中可替代CT、双能X线骨密度测定法和磁共振成像。此外，Grossberg等[36]进行的一项前瞻性研究中，纳入了50名接受放疗的头颈部肿瘤患者，通过线性回归将基线BIA测量的SM质量、FFM和脂肪质量(FM)与CT的测量值进行比较，发现BIA能准确检测头颈部癌症患者的身体成分，且在鉴别男性骨骼肌少症方面具有较高的敏感性和特异性。他们还发现肌肉减少与患者生存率下降密切相关，表现出生存率降低和局部区域癌症控制不佳，对放疗的耐受性受损和化疗毒性增加。但这一规律并不适用于全部类型的肿瘤患者，如对乳腺癌和黑色素瘤等疾病是否有用或准确还需要进一步的研究来评估[35]。

对于冠心病患者而言，适当的有氧运动可以增加冠状动脉的直径和弹性，改善内皮功能，促进冠状动脉侧支循环的建立，同时也可以稳定冠状动脉粥样斑块[37]。Sato等[38]对305例冠心病患者进行的单中心回顾性研究，通过心肺运动试验回顾了受试者BIA参数，包括水肿指数(EI，细胞外水与全身水之比)、骨骼肌指数(SMI，骨骼肌质量/身高2)、矿物质指数(MI，矿物质质量/身高2)、体脂百分比和运动能力(峰值摄氧量)等，揭示了BIA测定的SMI是运动能力的决定因素，可作为冠心病患者二级预防评估以及疾病预后预测的指标。通过BIA对患者肌肉质量和所占比例准确测量，客观评估患者人体组成成分，临床医生能够对患者进行更精准的治疗，从而改善患者疾病预后。

4 BIA在总体营养评估方面的临床应用

良好的营养状态有助于患者伤口愈合和疾病恢复。尤其是大型手术术后、恶病质、急危重症患者的营养状况变化远比正常人复杂。营养科医生或者临床医生需要通过动态监测患者人体成分变化制定个体化营养支持治疗方案，保持患者能量摄入与消耗动态平衡，促进患者快速康复。Cotogni等[39]对需进行家庭肠外营养的65名营养不良癌症患者进行前瞻性研究，发现家庭肠外营养治疗90 d后，患者的营养状况、临床表现、预后评分和BIA指标均有显著改善，且通过BIA观察家庭肠外营养的效果和疾病状况有助于该类患者的疾病管理。当然，生物电阻抗技术除用于特定患者的体成分测量外，对健康人或是特定人群也至关重要。例如，对运动员而言，身体成分(即脂肪和肌肉的分布比例)比体重更为重要。生物电阻抗联合超声技术评估运动员的身体组成和肌肉特征，可用于评估运动员的健康状况，以便及早发现其潜在薄弱部位，有针对性的训练才能取得更好的成绩。同时，在一段时间内动态观察其身体指标的变化，如瘦体重和体脂百分比，积极予以相对应的治疗或整改方案，都将有助于运动员取得更好的成绩[40]。

5 BIA在临床领域的新型应用及前景

BIA技术目前尚未完全成熟，其在临床医学领域中的新型应用还有待于我们进一步发现和验证。除对被测者的容量、脂肪及肌肉组织进行测量外，BIA还能提供对全身矿物质、骨和非骨矿物质质量的组合重量的估计值。虽然人体内BMC可通过双能X射线吸收仪(dual energy X-ray absorptiometry，DXA)进行分析，非骨矿物质含量可通过假设骨矿物质与非骨矿物质的恒定比率得出[41]，然而DXA检测需要将受试者暴露在日常背景辐射下，低剂量辐射对人体健康的影响仍然令人担忧。BIA则可以避免使用电离辐射，简单、安全地评估受测者的矿物质含量。但其评估过程需要对目标人群进行假设限定，而违反这些假设可能会影响BIA评估的准确性，未来的研究还需要探索准确率更高的测量模型[42]。

BIA的检测指标之一相位角(phase angle，PhA)被认为是评估细胞膜完整性和细胞内外、间隙水分平衡的重要指标[43]，在评估健康状况及衡量疾病预后方面也发挥重要作用。De Borba等[44]在一项研究相位角与心血管疾病相关性的荟萃分析中表明，心血管疾病患者的PhA值低于健康对照组，是心血管疾病的重要预后指标之一。Hui等[45]研究提示，通过BIA测量的PhA是晚期癌症患者死亡率的重要预测因子，在没有水肿的患者中，PhA≤3°的3天生存率为86%，这为即将死亡的诊断和潜在的临终决策提供了重要信息。新型冠状病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019，COVID-19)疫情期间，研究者利用BIA技术测量COVID-19感染者基线身体成分参数并与其90天不良结局相关联，探索基线PhA的附加预测价值。研究显示包括PhA在内的BIA测量值与COVID-19的不良结果独立相关，PhA可以成为COVID-19感染者不良后果风险评估的宝贵补充[46]。随着医疗技术水平的发展以及临床医生对于BIA的关注，BIA在未来临床医学领域的新型应用也会越来越多。

目前，生物电阻抗分析多应用在肾脏病学、心脏病学、肿瘤学或运动医学，主要用于评估患者的水合和营养状况。除此之外，研究者们仍在进一步探索其更多的临床价值，包括验证研究(不同年龄、性别及不同水合状态下计算方程的准确性验证)，更新参考人群身体成分数据，以及确定营养不良和疾病风险及预后的临界值等等。

6 BIA在临床使用中的局限性

虽然BIA在评估体量状态和身体成分方面的综合性以及安全性已被研究者和临床医务工作者所证实，但不可否认的是BIA的特异性和准确性较低。就人体总脂肪含量来说，BIA根据系统预测方程通过比较电流在身体中脂肪和非脂肪组织传导时电阻的差异来测量人体无脂肪质量含量，再从总体重中减去无脂肪质量来计算总脂肪量。但众所周知，无脂肪质量的测量容易受水合状态的影响。年龄、身体状态等条件发生变化时，水合状态也会随之改变，此时原先的预测方程将不再适用[47-48]。因此，当疾病状态下人体水合状态发生变化时，BIA对身体无脂肪质量的估计并不十分准确，脂肪含量的计算也随之产生偏差[49]。但通过对多频生物电阻抗(multi-frequency bioelectrical impedance analysis，MF-BIA)、生物电阻抗的矢量分析(bioelectrical impedance vector analysis，BIVA)以及分段生物电阻抗分析(segmental bioelectrical impedance analysis，Segmental-BIA)等技术的研究，研究者正进一步校正BIA测量的准确性，以便提供更加精确的数据[50]。

虽然目前BIA尚未完全成熟，但其无创、无害、快速、廉价、操作简单和综合测量等特点使其在临床医学领域仍占有重要地位，未来在临床诊断中也将发挥重要作用。