Thước đo lượng mỡ cơ thể

2.3.7.2 Siêu âm (Ultrasound)

Siêu âm được sử dụng rộng rãi để đo cấu trúc mô và đã được chứng minh là một kỹ thuật chính xác để đo độ dày lớp mỡ dưới da. Hệ thống siêu âm chế độ A và chế độ B hiện được sử dụng và cả hai đều dựa vào việc sử dụng các giá trị được lập bảng của tốc độ âm thanh mơ và phân tích tín hiệu tự động để xác định độ dày của mỡ. Bằng cách thực hiện các phép đo độ dày ở nhiều vị trí trên cơ thể, bạn có thể tính tốn tỷ lệ phần trăm mỡ cơ thể ước tính. Kỹ thuật siêu âm cũng có thể được sử dụng để đo trực tiếp độ dày của cơ và định lượng mỡ tiêm bắp. Thiết bị siêu âm đắt tiền và không hiệu quả về

20

chi phí chỉ để đo lượng mỡ trong cơ thể, nhưng ở những nơi có thiết bị, chẳng hạn như ở bệnh viện, chi phí bổ sung cho khả năng đo lượng mỡ cơ thể là tối thiểu.

2.3.7.3 Chỉ số khối cơ thể (Body mass index – BMI)

Chất béo cơ thể có thể được ước tính từ chỉ số khối cơ thể (BMI), khối lượng của một người tính bằng kg chia cho bình phương chiều cao tính bằng mét; nếu cân nặng được đo bằng pound và chiều cao bằng inch, kết quả có thể được chuyển đổi thành BMI bằng cách nhân với 703. Có một số cơng thức được đề xuất liên quan chất béo cơ thể với chỉ số BMI. Các cơng thức này dựa trên cơng trình của các nhà nghiên cứu được cơng bố trên các tạp chí được bình duyệt, nhưng mối tương quan của chúng với chất béo trong cơ thể chỉ là ước tính; chất béo cơ thể khơng thể được suy luận chính xác từ chỉ số BMI. Chất béo trong cơ thể có thể được ước tính từ chỉ số khối cơ thể bằng các công thức do Deurenberg và các đồng nghiệp đưa ra. Khi tính tốn, mối quan hệ giữa tỷ lệ phần trăm mỡ cơ thể (BF%) được xác định bằng mật độ và BMI phải tính đến tuổi và giới tính. Việc xác nhận chéo bên trong và bên ngồi của các cơng thức dự đoán cho thấy rằng chúng đã đưa ra các ước tính hợp lệ về lượng mỡ cơ thể ở nam và nữ ở mọi lứa tuổi. Tuy nhiên, ở các đối tượng béo phì, các cơng thức dự đốn đã đánh giá quá cao% BF. Sai số dự đốn có thể so sánh với sai số dự đoán thu được với các phương pháp ước tính BF% khác, chẳng hạn như phép đo độ dày nếp gấp và trở kháng điện sinh học. Công thức cho trẻ em là khác nhau; Mối quan hệ giữa BMI và% BF ở trẻ em khác với ở người lớn do sự gia tăng liên quan đến chiều cao của BMI ở trẻ em từ 15 tuổi trở xuống.

2.4. Lựa chọn kỹ thuật thực hiện

Thông qua các câu hỏi đã tự đặt ra ở trên và phân tích từng phương pháp đo lường phần trăm chất béo trong cơ thể được đề cập đến phía trên, nhóm quyết định sẽ lựa chọn kỹ thuật phân tích chất béo thơng qua tín hiệu trở kháng điện sinh học. Đây là một phương pháp đã được khám phá từ rất lâu và được ứng dụng vô cùng rộng rãi vào thực tế, bên cạnh đó, đây cũng là một khía cạnh khá mới mẻ đối với nhóm và cũng là vấn đề

21

chưa từng được đề cập đến trong suốt q trình học tập tại trường. Thơng qua các tài liệu tham khảo về phương pháp phân tích trở kháng điện sinh học, nhóm nhận ra đây cũng là một phương pháp có thể thực hiện được trong khả năng của một sinh viên năm 4. Do đó, nhóm quyết định thực hiện các nghiên cứu dựa trên các tài liệu khoa học có sẵn, khám phá, và tạo ra một mơ hình có thể đo lường phần trăm chất béo trong cơ thể thơng qua phân tích điện trở kháng sinh học.

Sự dẫn dòng điện xoay chiều trong cơ thể là thơng qua hàm lượng nước của nó hay nói đúng hơn là dung dịch các chất điện giải trong cơ thể (Hoffer và cộng sự, 1969; Kushner và Schoeller, 1986). Dòng điện xoay chiều được sử dụng để phân tích trở kháng điện sinh học vì nó xun qua cơ thể ở mức điện áp và cường độ dòng điện thấp. Trong một cấu trúc điện phức tạp như cơ thể người, phần thể tích chất lỏng hoặc total body water (TBW) được đo bằng trở kháng điện sinh học cũng là một hàm của tần số dòng điện. Ở tần số thấp dưới 5 kHz, dòng điện sinh học di chuyển chủ yếu qua chất lỏng ngoại bào, nhưng khi tần số tăng lên, dịng điện bắt đầu thâm nhập vào các mơ cơ thể, tạo ra điện trở và số đo của dòng điện này bắt đầu đại diện cho nhiều thước đo hơn của TBW. Ở tần số cao (trên 100 kHz), dòng điện được cho là xuyên qua tất cả các mơ của cơ thể dẫn điện hoặc tồn bộ tổng lượng nước trong vật dẫn và được cho là vượt qua các đặc tính điện dung của cơ thể, làm giảm điện trở về khơng. Cũng đã có một sơ đồ mạch điện được sử dụng để mơ tả hoặc mơ hình hóa các đặc tính điện của các mối quan hệ trở kháng-cơ thể trong nước-ngoại bào (Nyboer, 1959; Schwan và Kay, 1956), sẽ được mô tả trong các chương sau.[8]

Tóm lại, kỹ thuật được áp dụng trong việc phân tích lượng mỡ cơ thể là phân tích điện trở kháng trong cơ thể. Đây là một kỹ thuật được phát hiện trong những năm của thế kỷ 20, tuy nhiên, nó lại mang đến những giá trị ước tính chính xác về lượng mỡ cơ thể. Bên cạnh đó, việc sử dụng cơng thức tính tốn giá trị lượng mỡ thơng qua giá trị tín

22

hiệu điện trở kháng cũng ảnh hưởng đến mức độ chính xác của kết quả cuối cùng. Công thức sẽ được trình bày ở những chương sau.

2.5. Cơ sở lý thuyết của phân tích trở kháng điện sinh học

Tổng quát: Phân tích trở kháng điện sinh học là một phương pháp khơng xâm lấn, chi phí thấp và là một giải pháp được sử dụng rộng rãi cho những đo lường các bộ phận cơ thể và sự đánh giá điều kiện lâm sàng. Đã có nhiều phương pháp đa dạng được nghiên cứu và phát triển để làm rõ những dữ liệu về trở kháng sinh học thu được từ cơ thể. Bên cạnh đó, việc phân tích trở kháng sinh học luôn được ứng dụng rộng rãi trong y tế nhằm đánh giá và ước lượng các trạng thái lâm sàng từ nhiều bộ phận khác nhau của cơ thể. Trong phần cơ sở lý thuyết này, các khái niệm và những nguyên lý cơ bản liên quan đến phân tích trở kháng điện sinh học sẽ được đưa ra, đồng thời cũng nhấn mạnh về kỹ thuật phân tích lượng mỡ trong cơ thể như đã đề ra.

2.5.1 Lịch sử phát triển của kỹ thuật phân tích trở kháng điện sinh học

Các nghiên cứu ban đầu về trở kháng điện sinh học tập trung vào ý nghĩa của các phép đo trở kháng, liên quan đến hàm lượng nước và chất điện giải trong cơ thể và các biến số sinh lý như chức năng tuyến giáp, tỷ lệ trao đổi chất cơ bản, hoạt động estrogen và lưu lượng máu trong mô người hay động vật (Barnett, 1937; Lukaski 1987; Spence và cộng sự, 1979). Từ đó, trở kháng điện sinh học đã được phát triển và ứng dụng vào việc ước tính thành phần cơ thể trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Những đặc tính điện của các mơ đã được mơ tả vào năm 1871[9]. Những thuộc tính

này đã được mơ tả rộng hơn trong một khoảng rộng của nhiều tần số trên vùng rộng hơn của các mô, bao gồm những mô bị hỏng hoặc trải qua sự thay đổi sau khi chết. Thomasset đã phát hiện ra những nghiên cứu nguyên thủy về việc sử dụng sự đo lường trở kháng điện như một thước đo cho lượng nước tổng của cơ thể, việc sử dụng hai kim tiêm dưới da. Hoffer và cộng sự và Nyboer đã giới thiệu lần đầu tiên về kỹ thuật bốn bề mặt điện cực BIA. Một nhược điểm của những điện cực bề mặt là phải có một dịng điện cao

23

(800μA) và một hiệu điện thế cao được sử dụng để giảm tính khơng ổn định của dòng

điện được tim vào được liên quan đến trở kháng da (10 000 Ohm/cm2). Vào những năm

1970, nền móng cho BIA đã được hình thành, bao gồm những nền tảng làm cơ sở cho các mối quan hệ giữa trở kháng và hàm lượng nước trong cơ thể. Sau đó, nhiều loại máy phân tích BIA với tần số đơn đã được bán trên thị trường, và đến những năm 1990, thị trường đã bao gồm một số máy phân tích đa tần số. Việc sử dụng BIA như một phương pháp tại giường đã tăng lên do thiết bị di động và an toàn, thủ thuật đơn giản và khơng xâm lấn, và kết quả có thể được tái tạo và thu được nhanh chóng. Và cuối cùng, BIA phân đoạn đã được phát triển để khác phục sự mâu thuẫn giữa lực cản (R) và khối lượng cơ thể.

2.5.2 Nguyên lý của kỹ thuật phân tích trở kháng điện sinh học

Trong kỹ thuật điện, trở kháng (Z) là đại lượng đặc trưng cho sự cả trở dòng điện xoay chiều, và do đó, nó phụ thuộc vào tần số của dịng điện đặt vào, được xác định theo độ lớn trở kháng (|Z|) và góc pha () như trong phương trình (1) – (3). Trở kháng sinh học là một đại lượng phức tạp, bao gồm điện trở (R) do tổng lượng nước trong cơ thể và điện kháng (Xc) gây ra bởi điện dung của tế bào:

𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝑋𝐶 (1) |𝑍| = √𝑅2+ 𝑋𝐶2 (2) 𝜙 = 𝑡𝑎𝑛−1(𝑥𝑐

𝑅) (3)

Nguyên lý của trở kháng điện sinh học của cơ thể được mô tả dựa trên độ dẫn điện và thơng qua một mơ hình cụ thể có dạng hình trụ, sử dụng vật liệu dẫn điện đồng nhất, và có điện trở suất được tính theo phương pháp thơng thường, có liên quan đến các thơng số điện trở R, chiều dài L, chiều cao h, chiều rộng w và tiết diện cắt ngang S/m.[10]

24

Điện trở R của một đối tượng có vật liệu dẫn điện đồng nhất, sẽ tỷ lệ thuận với chiều dài L và tỷ lệ nghịch với tiết diện A (Hình 2.4), được xác định bởi điện trở suất 𝜌, như phương trình (4).[8] Điện kháng 𝑋𝐶 của đối tượng đó được đưa ra trong phương trình (5), được xem như là khả năng kháng lại sự thay đổi điện áp đi qua đối tượng và tỷ lệ nghịch với tần số tín hiệu f và điện dung C. Trong hệ thống sinh học, điện trở được tạo ra do tổng lượng nước chảy qua cơ thể và điện kháng xuất hiện nhờ vào điện dung của màng tế bào:

𝑅(𝛺) = 𝜌(𝛺.𝑚) 𝐿(𝑚)

𝐴(𝑚2) (4)

𝑋𝑐(𝛺) = 1

2𝜋𝑓(𝐻𝑧)𝐶(𝐹) (5)

Hình 2.4. Nguyên lý của BIA từ tính chất vật lý đến thành phần cơ thể. Hình trụ tượng trưng cho mối quan hệ giữa trở kháng và hình học.

Điện trở của chiều dài của vật liệu dẫn điện đồng nhất có diện tích mặt cắt ngang đồng nhất là tỷ lệ thuận với chiều dài (L) và tỷ lệ nghịch với tiết diện cắt ngang (A). Vì vậy, điện trở R = 𝜌𝐿

𝐴 =𝜌𝐿2

𝑉 ;và thể tích 𝑉 = 𝜌𝐿2

𝑅 , với 𝜌 là điện trở suất của vật liệu dẫn điện và 𝑉 = 𝐴𝐿.

25

Điện dung phát sinh từ màng tế bào, và điện trở có từ dịch trong và ngồi tế bào. Trở kháng là một thuật ngữ được dùng để mô tả sự kết hợp của cả hai. Có vài mạch điện tử đã được dùng để mô tả hoạt động của mô sinh học trong cơ thể. Một ví dụ được đưa ra trong hình 2.5, mạch điện thường được sử dụng để thể hiện các mô sinh học trong cơ thể thì có điện trở của dịch ngoại bào được sắp xếp song song với nhánh thứ hai của mạch, nhánh thứ hai bao gồm tụ điện và điện trở của dịch nội bào mắc nối tiếp nhau. Điện trở và tụ điện đều có thể được đo qua một dải tần số (hầu hết máy phân tích tần số đơn BIA hoạt động ở mức 50-kHz). Ở tần số 50-kHz, dòng điện đi xuyên qua cả dịch ngoại bào và nội bào, mặc dù tỷ lệ này có sự thay đổi từ mơ này sang mơ khác.

Hình 2.5. Cơ thể con người bao gồm điện trở và điện dung được kết nối song song hoặc nối tiếp.

Trong mơ hình nối tiếp, hai hoặc nhiều điện trở và tụ điện được mắc song song, với dịng điện đi qua tại tần số cao thơng qua không gian nội vào và tại tần số thấp đi qua không gian ngoại bào.

Tại tần số 0 (hoặc mức thấp), dịng điện khơng đi vào màng tế bào, màng tế bào hoạt động như một chất cách điện, và vì thế nên dòng điện đi qua dịch ngoại bào, dịch ngoại bào chịu trách nhiệm cho điện trở đo được của cơ thể tại mức thấp nhất (𝑅0).

26

Tại tần số vô hạn (hoặc tần số rất cao), tụ điện hoạt động như một tụ điện hoàn hảo

(hoặc gần như hồn hảo), và vì vậy nên tổng trở cơ thể (𝑅∞) thể hiện dịch của cả ngoại

bào và nội bào.

Mối quan hệ giữa tụ dung và điện trở khá đặc biệt, nó phản ánh những tính chất điện khác nhau của các mơ, mà những tính chất này bị ảnh hưởng bởi nhiều cách đa dạng do bệnh lý, trạng thái dinh dưỡng và trạng thái hydration. Góc pha là một đại lượng đo cho

mối quan hệ này và những chỉ số tương quan khác, bao gồm 𝑅0

𝑅∞, và cũng được sử dụng để chỉ ra kết quả lâm sàng. Hơn thế nữa, khi điện trở và tụ dung được đồ thị hóa sau khi việc tiêu chuẩn hóa cho độ cao, những điều kiện/bệnh lý khác nhau xuất hiện với những cụm có hình dạng riêng biệt (sự phân tích vector trở kháng điện sinh học – bioelectrical impedance vector analysis – BIVA) cũng được đưa ra bởi Piccoli et al . Những điều này có thể có giá trị tiềm năng với khía cạnh chẩn đốn và dự đoán bệnh tật.

2.5.3 Bản chất của tế bào

Sự dẫn truyền của dòng điện xoay chiều trong cơ thể là thông qua hàm lượng nước của nó hay nói đúng hơn là dung dịch các chất điện giải trong cơ thể.[11] Dòng điện xoay chiều được sử dụng để phân tích trở kháng điện sinh học vì nó thâm nhập vào cơ thể ở mức điện áp và khoảng thời gian dài. Trong một cấu trúc điện phức tạp như cơ thể người, phần thể tích chất lỏng được đo bằng trở kháng điện sinh học cũng là một hàm của tần số dòng điện. Ở tần số thấp dưới 10 kHz, dòng điện chủ yếu đi qua chất lỏng ngoại bào nhưng khi tần số tăng lên, dịng điện bắt đầu thâm nhập vào các mơ cơ thể và tạo ra điện kháng như trong hình 2.6 Ở tần số cao (trên 100 kHz), Dòng điện được cho là xuyên qua tất cả các mơ của cơ thể dẫn điện hoặc tồn bộ tổng lượng nước trong cơ thể và được cho là vượt qua các đặc tính điện dung của cơ thể, làm giảm điện trở về không. Điều này ngụ ý rằng trong một hệ thống sinh học, trở kháng ở tần số thấp liên quan đến nước ngoại bào (ECW) trong khi trở kháng ở tần số cao liên quan đến TBW. Mỗi tế bào được bao

27

bọc bởi một lớp màng bao bọc dịch nội bào. Ở tần số thấp (<10 kHz), màng tế bào có điện trở cao và do đó, dịng điện đi qua chất lỏng ngoại bào xung quanh tế bào. Ở tần số cao, điện dung của màng tế bào làm giảm điện trở của màng.

Hình 2.6. Dịng chảy của dịng điện xoay chiều tại các mức tần số khác nhau trong mô của cơ thể

2.5.4 Trở kháng điện sinh học của mô sinh học

Trở kháng của mô sinh học bao gồm hai thành phần, điện trở và điện trở (điện dung). Chất béo trong cơ thể, TBW và Nước ngoài tế bào (ECW) cung cấp khả năng chống lại dịng điện trong khi chỉ có màng tế bào cung cấp điện trở điện dung. Màng tế bào có vai trị thụ động để ngăn cách mơi trường ngồi và mơi trường nội bào và vai trị tích cực để kiểm sốt sự trao đổi các chất hóa học khác nhau. Phần thụ động của màng tế bào là BLM. Màng này (dày ~ 7nm) cho phép lipid và các phân tử nước đi qua nó nhưng về ngun tắc, nó hồn tồn đóng lại đối với các ion. Độ dẫn điện nội tại của nó rất thấp và