Bioimpedância aplicada à análise dância aplicada à
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Fisiologia de Sistemas Dezembro de 2008 Bioimpedância aplicada à análise da composição de tecidos Ana Cláudia Carriço 63947, Ana Margarida Ruela 62821, Cecília Nunes 62835, Joana Pinto 63772, Joana Santos S 62828, João Dias Semedo 62839 Resumo As propriedades eléctricass dos tecidos têm tê vindo a ser estudadas desde 1871, mas apenas em 1970 os fundamentos da Análise por bioimpedância (BIA) ( foram descritos e, desde então, uma variedade de aparelhos foram colocados no mercado. A medição da bioimpedância é uma ferramenta importante na prática médica e em investigação biomédica, sendo um método de diagnóstico baseado no estudo das propriedades eléctricas passivas dos tecidos biológicos. biológicos Esta técnica pode ser utilizada para avaliar a composição corporal e o estado de nutrição e também auxiliar no diagnóstico de certas patologias e identificação de vários tecidos, apresentando aplicações ao nível de medições do fluído corporal, da detecção de mudanças ao nível do do volume do tecido e da caracterização do mesmo. Este artigo foca tanto as técnicas já conhecidas como as suas aplicações e restrições. Palavras-chave: Bioimpedância (Z),, Análise por Bioimpedância (BIA), (BIA) Espectroscopia Bioeléctrica (BIS), Fase, Resistência (R), Reactância (X) 1. Introdução parte real a resistência e a parte complexa 1.1 Impedância a reactância. A impedância (Z) é um parâmetro importante na caracterização de circuitos cir A lei de Ohm pode assim ser generalizada a: ܸ ൌ ܼ ൈ ܫ. eléctricos,, dos seus componentes ou mesmo dos materiais que os constituem. constituem Pode ser definida como a oposição oferecida à passagem de uma corrente eléctrica a uma dada frequência e simbolizada por um número complexo, numa representação vectorial, sendo a Figura 1: Representação vectorial da Impedância tensão Resistência (R) Considerando um cilindro homogéneo condutor tor com uma dada resistividade ao longo do volume do corpo/segmento considerado. É de salientar que a intensidade da uniforme, verifica-se que a sua R eléctrica é corrente directamente te ao pequena para não ser perceptível pelo comprimento e inversamente nte proporcional indivíduo (aproximadamente 800 μA), mas à área da secção transversal. suficiente para produzir uma tensão que proporcional deve ser suficientemente seja superior ao ruído verificado. Na medição da bioimpedânc bioimpedância, a R é inerente aos próprios tecidos, reflectindo a oposição pura destes à passagem de corrente e a X deve-se se ao efeito de capacitância produzido pelas membranas celulares, pelas interfaces entre os vários Figura 2: Modelo do cilindro tecidos e pelos tecidos não-iónicos. iónicos. Voltando à R,, esta pode se ser dividida Reactância (X) É uma grandeza eléctrica que exprime em R extra e intracelular (Re e Ri) e de a oposição à passagem da corrente membrana (Rm).. Esta divisão é muito útil eléctrica em corrente alternada, devido a em termos de análise de resultados. fenómenos magnéticos de carácter indutivo (X indutiva) ou de armazenamento de energia eléctrica de carácter capacitivo (X capacitiva). 1.2 Tecidos O corpo humano é constituído por um conjunto heterogéneo de líquidos e tecidos Figura 3 – Exemplo de associação eléctrica das orgânicos de resistividade variável. Na resistências perspectiva da electricidade, pode-se pode considerar o corpo constituído por um conjunto de resistências e condensadores. Para a determinação da bioimpedância aplica-se uma corrente ao corpo, que gera diferentes valores de Para o cálculo de Re e Ri , individualmente, tira-se se partido dos seus comportamentos a diferentes frequências. Se fizermos tender a frequência para zero (DC), a corrente não penetrará a membrana celular, sendo por isso medida Re. Se fizermos tender a frequência para gordura, que apresentam valores muito altos (∞) a corrente condutividade baixa. uma percorrerá ambos os meios sendo o resultado a associação de Re com Ri. De chamar à atenção para o facto de esta ser uma abordagem teórica, uma vez que a frequência da corrente introduzida no corpo, não deve atingir valores muito baixos, devido à ocorrência de múltiplas dispersões, nem valores muito elevados pela mesma razão e porque altas frequências podem também estimular electricamente alguns tecidos condutores, Figura 4: Resistência à corrente de alguns como o tecido cardíaco. Do maior interesse tecidos é também a relação entre R e capacitância por reflectir diferentes propriedades É de notar que os segmentos eléctricas, que podem ser interpretadas corporais se encontram em série, somando para as suas resistências. Assim, segmentos detectar patologias, estado de nutrição ou hidratação. Os tecidos determinadas mais largos (tronco) contribuem menos vivos apresentam características que que segmentos com igual comprimento mas menor espessura (antebraço e braço). influenciam a determinação de Z associado aos mesmos. Como todos os tecidos vivos constituem um volume condutor, os transportadores físicos de corrente são os iões electricamente carregados, mais especificamente, os iões sódio e potássio, que se deslocam no seu interior. Assim, existem materiais que apresentam uma Figura 5: Divisão do corpo em cilindros condutividade alta, caso do sangue e da urina (devido à presença de uma grande Para além disso, existe uma menor R à quantidade de electrólitos em solução); passagem de corrente onde existe uma outros com uma condutividade intermédia, menor quantidade de obstáculos, como o músculo; e ainda outros, como o osso ou membranas barreiras ao celulares que movimento constituem das cargas, verificando-se que o fluxo de corrente é (tipo de tecido conjuntivo, cujas células maior nas zonas onde a R é menor e com armazenam energia na forma de gordura). condutividade elevada. A R do corpo Podemos obtê-lo através da diferença humano depende ainda de condições entre o peso e o índice de massa muscular fisiológicas e ambientais, como o estado da (o índice de massa muscular é estimado a pele, pressão e duração do contacto, partir do valor obtido para a quantidade natureza da corrente, taxa de álcool no total de água). sangue, etc. 2.2 Massa magra (FFM) 2. Compartimentos corporais Uma das áreas de aplicação da bioimpedância é a análise da composição Considera-se FFM tudo o que não seja gordura. Pode divide-se em água extra e intracelular (QTAC) e massa celular. corporal. A partir dos resultados obtidos nos diferentes métodos é possível prever Índice de Massa Celular alguns índices da composição corporal, O índice de massa celular corresponde nomeadamente índices de gordura, massa à componente metabólica activa do corpo celular corporal, quantidade de água total, (conteúdo em fluido intracelular e sólidos intra e extracelular. existentes). A estimativa deste índice é 2.1 Índice de Gordura (FM) O FM é a percentagem de massa corporal correspondente a tecido adiposo difícil de obter por abrangente. Figura 6: Esquema da composição dos compartimentos corporais ser bastante 3. Métodos composição Bioimpedância para análise corporal da por anteriormente, de acordo com a lei de Ohm, Z é obtida por: ܼൌ 2.1 Análise por Bioimpedância (BIA) ܸ ܫ A BIA é um método prático, rápido e não-invasivo, utilizado para estimar os compartimentos corporais, cuja análise é baseada na medida de R total do corpo à passagem de uma corrente elétrica com determinadas amplitude e frequência, Com base no referido modelo do corpo como cilindro de resistividade uniforme e área constante, o volume dos compartimentos pode ser determinado a partir de Z através da fórmula: ܼൌ mensurando propriedades como a Z, R, X e fase. ܼൌ ܸൌ BIA de única e de multipla frequência (SFBIA e MF-BIA) ߩ∙ܪ ܣ ܪଶ ∙ ߩ ܸ ܪଶ ∙ ߩ ܼ O SF-BIA e o MF-BIA são dois métodos No SF-BIA Z é calculado para uma de bioimpedância que permitem, através corrente com uma frequência de 50 KHz. da indução de uma corrente eléctrica, Para esta frequência, a corrente passa determinar a Z oferecida pelo corpo. através dos fluidos intra e extracelulares, Ambos os métodos são utilizados para consistindo este método na associação das detectar Z total. resistências apresentadas por estes fluidos. Em primeiro lugar, são colocados quatro eléctrodos, dois para gerar corrente O valor de Z obtido por este método permite calcular a QTAC e a FFM no corpo. e dois para medir a tensão, em duas No MF-BIA a frequência da corrente extremidades do corpo, geralmente dois induzida varia, sendo possível obter valores no pé e dois na mão, como se observa na de Z para diferentes compartimentos do figura 7. Em seguida, é induzida uma corpo. corrente eléctrica que percorre o caminho Para determinar fluido corpo uma extracelular eléctrodos, através dos materiais que corrente com valores de frequência muito apresentam uma maior condutividade. baixos. Para estes valores a membrana Assim, é gerada uma tensão (V) entre os celular funciona como um isolador e dois consequentemente a corrente é conduzida Como referido no do entre as duas extremidades que contêm os eléctrodos. aplica-se Z apenas através do fluido extracelular. A partir da impedância Z0 pode-se calcular a diferenças entre esses componentes, dado quantidade de água extracelular. Para um sinal de input que percorre todo o determinar corpo, à imagem das técnicas referidas Z dos fluidos intra e extracelular introduz-se no corpo uma anteriormente. corrente configurações com elevados valores de Existem de inúmeras distribuição dos frequência, para estes valores a membrana eléctrodos, de acordo com o objectivo das celular permite a passagem da corrente medições. Todas visam obter resultados para o meio intracelular, permitindo o para medidas do corpo todo. cálculo da QTAC. O MF-BIA é um método mais adequado que o SF-BIA para determinar a QTAC em indivíduos saudáveis, obesos ou com insuficiência renal crónica. Figura 8: Localização dos eléctrodos na validação do método segmentado para determinação do volume muscular total (Tanaka et al.) Figura 7: Colocação dos eléctrodos no SF-BIA e MF-BIA As técnicas de SF-BIA e MF-BIA Análise por Bioimpedância Segmentada e Localizada Esta análise consiste em detectar tensões noutros pontos do corpo além dos usados nos outros métodos, com vista a separar os diferentes componentes anatómicos, membros superiores, tronco e membros inferiores. É fundamentada pelas referidas assumem o modelo do corpo como cilindro de resistividade uniforme e área transversal constante. Estas aproximações impossibilitam a determinação correcta da Z total, por erros sistemáticos, e consequentes erros na determinação de dados antropométricos pretendidos. As aproximações do SF-BIA e MF-BIA são: Por exemplo, para estimar a o volume de massa muscular, (Tanaka et al.) Área: O tronco representa cerca de descobriram que o tronco contribui 33,7% metade da massa corporal. Contudo, enquanto os membros contribuem o devido à sua grande área transversal, restante. contribui muito pouco para a Z total do No que toca a Z total o braço contribui corpo. Por oposição, os membros possuem cerca de 45%, o tronco contribui 10% e a uma reduzida área transversal, levando a perna 45% que Z total dependa em maior razão de Z. Existem numerosas configurações Como referido, a medição de Z total, impõe para a colocação dos eléctrodos de um circuito ligado em série com iguais as detenção da tensão, conforme as medidas contribuições para Z de cada um dos pretendidas. Existe contudo falta de componentes. consenso a nível das contribuições das Componentes com diferentes áreas não podem pois constar numa aproximação que equipare diferentes partes do corpo. as contribuições das suas impedâncias. A BIA segmentada difere da localizada na medida em que é aplicado um sinal a Resistividade específica - Composição todo o corpo e se pretendem medidas e estrutura dos tecidos: O tronco possui totais. A BIA localizada aplica um sinal local uma estrutura muito complexa, dada a e obtém resultados bastante correctos presença para um segmento específico do corpo. de diferentes inúmeros conformações, órgãos com tecidos e propriedades. Ou seja, a resistividade é Fase altamente específica. Este factor invalida a Depois de medidos os valores de R e aproximação do tronco como cilindro de de X, a fase pode ser obtida por: resistividade ߠ ൌ ܽ ݃ݐܿݎቀܴቁ homogénea. Esta aproximação é menos grosseira para os membros, pois possuem ܺ tecido maioritariamente muscular e área pouco variável. À semelhança dos métodos referidos, estes métodos visam obter medidas antropométricas para todo o corpo. A Figura 9 : Diagrama que relaciona a resistência vantagem é que são eliminados os erros e a reactância pela fase (ߠ) sistemáticos associados às áreas obtendo valores mais correctos. A fase reflecte as contribuições relativas do fluido (R) e das membranas (capacitância) e pode ser interpretada não só como um indicador da distribuição de água entre os espaços intra e extracelulares ou como um indicador para avaliar o estado de nutrição do indíviduo, mas também como factor de prognóstico Figura 10: Esquema representativo da em certas condições em que a integridade integrid identificação de um tecido normal e de um isquémico. das membranas celulares é comprometida e/ou ocorrem alterações ao nível do fluído Este método pode ode ainda ser útil no intra e extracelular (permitindo detectar alterações nas propriedades eléctricas dos hepática, cancro ancro do pulmão pulmão, HIV e tecidos). Como já referido anteriormente, em diagnóstico de patologias como ccirrose tecidos com uma oxigenação adequada, correntes rentes de baixa frequência não penetram as membranas celulares, percorrendo o fluido extracelular celular (fase insuficiência renal crónica e tem como vantagem necessárias consoante o facto de equações várias não serem sere que variam características do indivíduo. baixa). ). Para altas frequências a corrente percorre ambos os meios (fase baixa). 2.22 Espectroscopia Bioeléctrica (BIS) Neste caso, o ângulo de fase do indivíduo varia mesmo entre 4 e 10 Este graus, graus dependendo do sexo. Ângulos de menor método utiliza modelos computacionais e equações mistas para fase podem ser associados à morte celular prever o Z0 e o Z∞ ou determinar a relação ou a uma alteração da permeabilidade entre Z e os compartimentos do corpo corpo. selectiva da membrana celular. Ângulos de Os valores de Z obtidos para baixas fase mais alta podem ser associados a frequências, e que permitem o cálcul cálculo do maior massa celular do corpo. No caso dos volume total de água extracelular, celular, são tecidos baixas extrapolados a partir de um gráfico Cole- tem maior Cole. o fluido isquémicos, os, frequências, a dificuldade em para corrente percorrer Este gráfico consiste na representação intercelular, embora não atravesse as das impedâncias membranas (fase muito baixa). Para altas frequência (entre 5 KHz e 1000 KHz) K pelos frequências o resultado é praticamente métodos BIA, relacionando X, R, Z e a idêntico ao de um tecido saudável. frequência. O obtidass gráfico para consiste cada na aproximação dos valores obtidos por uma curva e no prolongamento desta até ao eixo de R formando um semi-circulo. Este em que c é a fracção de volume de tecido prolongamento permite extrapolar valores não condutor. Para baixas frequências, c de Z para frequências que não podem ser toma o valor de 1-Ve/Vb, na medida em que introduzidas no corpo. a corrente só passa pelo tecido extracelular. Assim o volume extracelular é obtido por: ܪଶܹ ଵ/ଶ ܸ ൌ ݇ ቆ ቇ ܼ ଶ/ଷ em que W é a massa do corpo e o ke é: Figura 11: Gráfico Cole-Cole O corpo pode ser dividido em cinco cilindros (membros superiores, membros inferiores e tronco). O volume de cada cilindro é simplificar, designado é possível por Vb. Para obter uma aproximação do volume total do corpo a sendo Db a densidade do corpo. Considerase que o ke para os homens é 0,306, para as mulheres é 0,316 e que Db é 1.05 kg/L. (Lorenzo et al.). partir do volume de um único cilindro, multiplicando-o por um factor Kb, cujo valor é aproximadamente 4,3 (Lorenzo et al.). Z e A quantidade de água intra-celular é calculada a partir da seguinte fórmula: o volume podem assim ser relacionados pela fórmula: ൬1 + ܸ ହ/ଶ ܼ + ܼ ܸ ൌ ൰ ൬1 + ܭఘ ൰ ܸ ܼ ܸ ܭఘ ൌ Este método tem em consideração o ߩ ߩ efeito dos tecidos não condutores, quando presentes nos fluidos intra e extracelulares. em que Kρ é o coeficiente de resistividade O aumento destes tecidos conduz a um entre os fluidos intra e extracelular, aumento da resistividade dos fluidos. Esta considera-se um K resistividade é dada pela teoria mista da homens e 3.40 para as mulheres (Lorenzo condutividade de Hanai. et al.). ρ de 3.82 para os 4. Condicionamentos na realização da análise de bioimpedância Na realização das medições há inúmeros factores que condicionam a reprodução das mesmas e validade dos resultados: Tabela 1: Condicionamentos na realização da análise de bioimpedância Condicionamentos Observações/Recomendações Variações na posição dos eléctrodos colocação afastada de 1cm pode provocar um erro de cerca de 2% na resistência Número de eléctrodos Frequência única ou multifrequência Características do equipamento utilizado corrente, frequência, forma da onda, precisão, tolerância, resolução. Protocolos de medição Algoritmos utilizados na interpretação de resultados Posição do corpo Hidratação Consumo de comida ou bebidas individuo deve estar deitado, com pernas e braços a fazerem um ângulo de 30/45º em relação ao tronco ingerir pelo menos 2L de água no dia anterior ao teste recomenda-se o não consumo de comida e bebidas 8horas antes Temperatura corporal e do local Actividade física recente Estado da pele do indivíduo Altura e Peso Contacto com outros objectos Formato do corpo não se deve realizar exercício físico 8 horas antes deve-se efectuar uma limpeza com álcool dos locais de colocação de eléctrodos. Não deve ter nos mesmos. medir rigorosamente altura e peso pouco antes da realização da análise de bioimpedância. ambiente neutro, sem qualquer contacto com materiais metálicos não deve ser usado em caso de anomalias na forma corporal (como amputações) Grupo étnico Estado clínico do indivíduo não deve ser utilizado por indivíduos com pacemaker crianças. Para além disso, o corpo não se 5. Métodos de referência A validação das equações utilizadas em cada método deve ser comporta como um condutor uniforme. As feita estimativas de erro padrão de estudadas para os métodos BIA, 2 - 2,5 kg por em indivíduos do sexo masculino e 1,5 – densitometria mas também por modelo 1,8 em indivíduos do sexo feminino, e de multi-compartimentado, absorciometria de erro real, 0,0-1,8, são consideradas as emissão dupla de raios X, diluição isotópica ideais. Estimativas de erro inferiores a 3kg e ressonância magnética. Cada um destes para indivíduos do sexo masculino e 2,3 kg métodos tem limitações e obtêm-se para indivíduos do sexo feminino são resultados que não válidos em todas as consideradas muito boas (Houtkouper et situações. al.). 6. Precisão e limitações 7. Conclusões comparativamente referência com métodos nomeadamente, Os resultados dos vários métodos A bioimpedância eléctrica consiste na devem ser padronizados de modo a obter medição de Z de amostras biológicas e resultados mais precisos. Actualmente a reflecte estimativa estudada da precisão geral para indivíduo, sendo um método muito útil em os métodos BIA é de 2,7-4%. Para a QTAC a diagnóstico de patologias e determinação estimativa para precisão de é de 3,4 - 8 e de índices de massa corporal e de água, para o FM é 3,4-6%. As aproximações por exemplo. estatísticas vão sendo melhoradas de Pode as condições ser utilizada fisiológicas em do sujeitos saudáveis ou portadores de doença crónica modo a ter melhores resultados. A escolha das mesmas para cada desde que especificados idade, sexo e raça, população representa uma limitação na não sendo recomendado apenas para utilização patologias agudas ou anomalias na forma diferenciam da BIA. as Os factores populações que incluem corporal (amputações). variáveis como idade, grupo étnico, estado Os métodos de bioimpedância são de saúde, formato/estrutura do corpo, não-invasivos, bastante acessíveis do ponto hidratação variável com a idade, zona do de vista económico e os equipamentos corpo e sexo. Actualmente verifica-se que a utilizados são de fácil transporte. maior parte dos estudos foram feitos em No entanto, é ainda necessária mais indivíduos caucasianos e que não existem investigação nesta área, nomeadamente na muitas equações para indivíduos idosos e tecnologia, nas equações aplicadas, nas variáveis nelas contidas e no tratamento de [10] resultados. Impedance Analysis in Body Composition Rombeau JL, 1994, Bioelectrical Measurement. 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