生体電気インピーダンス分析

生体電気インピーダンス分析（BIA ）は、微弱な電流を体内に流し、その電圧を測定して体のインピーダンス（抵抗とリアクタンス）を計算することで、体組成を推定する方法です。これらの測定値は、体脂肪、体水分、筋肉量を推定するために使用できます。また、これらの測定値は体の電気位相角も算出します。 ^{[ 1 ]}

BIAは実際には電気インピーダンス、つまり体組織を通過する電流の流れに対する抵抗を測定します。細胞組織のインピーダンスは、抵抗器（細胞外経路を表す）と直列接続された抵抗器およびコンデンサ（細胞内経路を表す。抵抗は細胞内液の抵抗、コンデンサは細胞膜の抵抗）としてモデル化できます。これにより、測定に使用する周波数に応じてインピーダンスが変化します。全身インピーダンスは一般的に手首から同側の足首まで測定され、2つ（まれ）または4つ（圧倒的に多い）の電極を使用します。2電極（双極）構成では、1～10μA程度の小さな電流が2つの電極間に流され、その間の電圧が測定されますが、四極配置では、近位に配置された別々の電極ペア間の抵抗が測定されます。皮膚と電極の界面のインピーダンスによって測定が妨げられないため、四極配置が好まれます。^{[ 2 ] [ 3 ]}  

一般的に、筋肉量が多い人は体内の水分量が多くなり、インピーダンスが低くなる傾向があります。インピーダンスは周波数に依存します。低周波数では電流は細胞外水（ECW）のみを優先的に流れますが、高周波数では電流は細胞膜を通過できるため、体全体の水分量（TBW）を流れます。生体インピーダンス分光法（BIS）装置では、ゼロ周波数と高周波数での抵抗値を推定でき、少なくとも理論的には、それぞれECWとTBW、ひいては除脂肪体重の最適な予測値となるはずです。実際には、精度の向上はわずかです。特定のBIA装置で複数の周波数またはBISを使用すると、体脂肪率の測定においてDXAと高い相関関係があることが示されています。厳格なガイドラインを遵守すれば、除脂肪体重の測定においてDXAとの相関関係は最大99%にも達する可能性があります。^{[ 4 ] [ 5 ]}相関は精度や方法の一致の尺度ではないことを認識することが重要です。BIA法は通常、参照方法（DXA、MRI、4Cモデルなど）との一致の2標準偏差（2SD）限界が約±10%であることを示しています。

ヒトの生体電気インピーダンス分析では、位相角の推定値が得られます。これは、交流電流が組織を通過する際に生じる抵抗とリアクタンスの変化に基づいており、これにより位相シフトが生じます。したがって、位相角はすべての測定周波数で存在しますが、従来、BIAでは50  kHzの測定周波数における位相角が考慮されています。したがって、測定された位相角はいくつかの生物学的要因に依存します。位相角は女性よりも男性の方が大きく、年齢とともに減少します。^{[ 6 ]}健康診断の指標として有用である可能性があります。^{[ 7 ]}

体組成分析の基準法とみなされているのは、BIAではなく4コンパートメントモデル（4C）（DXAとMRIは許容される代替法）です。初期の研究では、BIAはかなりばらつきがあることが示されました。 ^{[ 8 ]}測定値は、脱水、食事と栄養、運動、体温、電極の配置と手順によって影響を受ける可能性があります。体組成の推定値は、提供された身長と体重に基づく身体構造に関する仮定にも依存しますが、これは肥満の被験者や特定の集団では不正確になる可能性があります。^{[ 1 ]}市販の体脂肪計は、平均して体脂肪率を約5kg  （±7kg  LoA ）低く表示する傾向がありますが、女性と男性でそれぞれMRIベースの測定値との線形相関が0.75と0.81を示しています。^{[ 8 ] [ 9 ]} BIAは、個人の単一の測定値を記録するには十分な精度とはみなされていませんが、グループの測定や、一定期間にわたる個人の体組成の追跡には許容できます。^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

脱水は、体内の電気抵抗を 増加させるため、BIA測定に影響を与える要因として認識されており、除脂肪体重を5kg過小評価、つまり体脂肪を過大評価することが測定されている。 ^{[ 13 ]}

食事摂取直後に測定すると体脂肪の測定値が低くなるため、一日を通して測定された体脂肪率の最高値と最低値の差は体脂肪の4.2%にも達する。^{[ 14 ]}

BIA測定前に中程度の運動を行うと、インピーダンスが低下するため、除脂肪体重が過大評価され、体脂肪率が過小評価される。^{[ 15 ]}例えば、BIA測定前に90～120分間中程度の強度の運動を行うと 、除脂肪体重が約12kg過大評価され、体脂肪が著しく過小評価される。^{[ 16 ]}したがって、中程度または高強度の運動後数時間はBIAを実施しないことが推奨される。^{[ 17 ]}

2電極法（例えば、足から足、または手から手への測定）は、一般的に4電極法（電流回路が遠位電極のペアによって提供され、インピーダンスが別の近位電極のペア間の電圧降下として測定される四極法）よりも精度が低いことがわかっています。通常8つの複数の電極が手と足に配置され、腕、脚、胴体などの個々の身体部位のインピーダンスを測定できます。複数の電極デバイスの利点は、電極の位置を変更する必要なく身体部位を同時に測定できることです。テストされたいくつかのインピーダンス機器の結果では、一致限界が悪く、場合によっては内臓脂肪率の推定に系統的バイアスが見られましたが、より正確な全身磁気共鳴画像法（MRI）および二重エネルギーX線吸収測定法（DXA）と比較すると、安静時エネルギー消費量（REE）の予測精度は良好でした。^{[ 18 ]} 

組織の電気的特性は1872年以来記述されてきた。これらの特性は、より広範囲の周波数において、より多様な組織（損傷を受けた組織や死後に変化している組織を含む）についてさらに詳細に記述されてきた。

1962年、トマセットは皮下に挿入した2本の針を用いて、電気インピーダンス測定を総体水分量（TBW）の指標として用いる最初の研究を行った。^{[ 19 ]}

1969年、ホッファーは全身インピーダンス測定によって総体水分量を予測できると結論付けた。その式（身長の二乗を体の右半分のインピーダンス測定値で割った値）は総体水分量との相関係数が0.92であった。ホッファーはこの式がBIAで使用されるインピーダンス指数として知られていることを証明した。^{[ 20 ]}

1983年、Nyoberは全身電気インピーダンス法を用いて体組成を評価することを検証した。^{[ 21 ]}

1970年代までに、BIAの基礎が確立され、その中にはインピーダンスと体内の水分量との関係を支える基礎も含まれていました。その後、RJL Systems社とその最初の市販インピーダンスメーターなど、さまざまな単一周波数BIAアナライザーが市販されるようになりました。消費者向けの体脂肪計や体重計は1980年代半ばに市販され、機器の使いやすさと携帯性の高さから人気を博しました。^{[ 22 ] [ 8 ] [ 23 ]}

1980年代、ルカスキ、シーガル、その他の研究者たちは、 BIAにおいて単一周波数（50kHz）を使用することは、人体を単一の円筒形とみなす前提に基づいているため、BIAに多くの技術的な制約が生じることを発見した。単一周波数の使用は、標準的な体型ではない人々に対しては不正確であった。BIAの精度を向上させるため、研究者たちは、経験的データ（性別、年齢、民族）を用いて、使用者の体組成を予測する経験式を作成した。

1986年、ルカスキはインピーダンス指数、体重、リアクタンスを用いた経験式を発表した。^{[ 13 ]}

1986年、クシュナーとショラーはインピーダンス指数、体重、性別を用いた経験式を発表した。^{[ 24 ]}

しかし、経験式は平均的な集団の体組成を予測するのにしか役立たず、疾患のある集団の医療目的には不正確でした。^{[ 17 ]} 1992年、クシュナーは、人体を1つの円筒ではなく5つの異なる円筒（右腕、左腕、胴体、右脚、左脚）として測定するBIA装置の精度を高めるために、複数の周波数を使用することを提案しました。複数の周波数を使用することで、細胞内水と細胞外水を区別することもできます。^{[ 25 ]}

1990年代までに、市場には複数の多周波分析装置と数台のBIS装置が登場しました。BIAは、機器が持ち運び可能で安全であり、手順が簡単で非侵襲的であり、結果が再現性があり迅速に得られるため、ベッドサイドでの測定法として広く利用されるようになりました。近年では、体幹の抵抗値（R）と体重との不一致を克服するために、分節BIAが開発されています。

1996年に、経験式を使用しない8極立位式BIA装置であるInBodyが開発され、「集団固有の式を必要とせずに女性のTBWとECWの正確な推定値を提供する」ことがわかった。^{[ 26 ]}

2018年、AURA DevicesはBIAを内蔵したフィットネストラッカーAURA Bandを発売した。^{[ 27 ]}

2020年にBIAは、センサー内蔵のアクセサリーAURAストラップを使用することでApple Watchユーザーにも利用可能になった。 ^{[ 28 ]}

2020年代初頭には、Samsung Galaxy Watch 4のようなスマートウォッチにBIA（バックグラウンドイメージセンサー）が内蔵されるようになった。

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