Kąt fazowy w analizie składu ciała metodą BIA, w ujęciu fizycznym oraz medycznym - CKzdrowie
Menu główne:
Analiza składu ciała > Analiza metodą BIA
data publikacji: 2025.02.08 data aktualizacji: 2025.03.08
Kąt fazowy w analizie składu ciała metodą BIA
(bioimpedancji elektrycznej - ang. Bioelectrical Impedance Analysis)
Winieta Historia i zasady BIA
Z artykułu się dowiesz:
· co to jest bioimpedancja, rezystancja i reaktancja;· jaka jest fizyczna natura kąta fazowego;· co wywołuje bioimpedancję w żywym organizmie;· jaki jest najprostszy model bioimpedancyjny organizmu;· co określa kąt fazowy w przypadku organizmu;· jaki kąt fazowy powinien mieć dorosły, zdrowy człowiek;· praktyczny przykład zmiany kąta fazowego wywołanej zastosowaniem diety o ujemnym bilansie energetycznym.
Aby móc wyjaśnić czym jest kąt fazowy w analizie składu ciała metodą bioimpedancji należy wcześniej przypomnieć sobie:
· wykłady z fizyki,· zajęcia z podstaw elektrotechniki,
a jak powyższych się nie miało to zapoznać się z załączoną bibliografią lub. . .
przeczytać dalszy tekst, gdzie możliwie prosto starałem się to przedstawić czym jest kąt fazowy ‘jako taki’ i czym jest w przypadku żywego organizmu.
Bioimpedancja jak łatwo się domyślić jest to impedancja związana z organizmami żywymi. Impedancja z kolei jest to opór występujący w obwodach prądu przemiennego. Reasumując – bioimpedancja jest to opór żywego organizmu (człowieka, zwierzęcia, rośliny) występujący gdy przez ten organizm, lub jego część przepływa prąd przemienny.
W obwodzie elektrycznym prądu przemiennego impedancja może być zmierzona lub obliczona. Im obwód elektryczny jest bardziej złożony tym obliczenia są bardziej skomplikowane. Ogólnie impedancje można przedstawić wzorami jak poniżej.
wzor na impedancje
gdzie:
Z - impedancja wyrażona w omach [Ω],R - rezystancja elementów obwodu wyrażona w omach [Ω],X - reaktancja elementów obwodu wyrażona w omach [Ω],j - część urojona liczby zespolonej (wykorzystuje się ‘j’ zamiast ‘i’ aby uniknąć kolizji oznaczeń matematycznych z fizycznymi, gdzie ‘i’ – natężenie prądu).
Rezystancja R – jest oporem jaki element obwodu elektrycznego stawia płynącemu prądowi przemiennemu (analogicznie jak w obwodach prądu stałego).
Pod pojęciem reaktancji rozumie się inne opory – reakcje powstające w wyniku zmian jakie cyklicznie powstają w prądzie przemiennym. Te reakcje nazwano właśnie reaktancją i oznaczono literą X. W zależności od tego czy reaktancja powstaje w kondensatorze określa się ją jako reaktancję pojemnościową – XC, czy w cewce reaktancją indukcyjną – XL. Oprócz różnych nazw reaktancje te mają inne charakterystyki – co w naszym przypadku nie ma znaczenia. Nie ma znaczenia ponieważ w organizmach biologicznych nie występuje reaktancja indukcyjna – XL.
Znając wartość rezystancji – R oraz reaktancji X można obliczyć wartość kąta fazowego – φ (inaczej przesunięcia fazowego) stosując poniższe wzory (dla miary łukowej kąta lub w stopniach):
kąt fazowy arctg
Z powyższych wzorów wynika, że:
· jeśli wielkość reaktancji pojemnościowej – XC będzie równa zero to kąt fazowy – φ będzie wynosił zero. Wówczas mamy do czynienia z obwodem czysto omowym (rezystancyjnym),· jeśli wielkość reaktancji pojemnościowej – XC będzie większa od zera i rezystancja – R bliska zeru to kąt fazowy – φ będzie wynosił -90o. Wówczas mamy do czynienia z obwodem czysto pojemnościowym,· jeśli wielkość reaktancji pojemnościowej – XC będzie większa od zera i rezystancja – R większa od zera to kąt fazowy – φ będzie miał wartość większą od -90o i mniejszą od 0o. Wówczas mamy do czynienia z obwodem złożonym - z takim właśnie przypadkiem mamy do czynienia gdy przyłożymy siłę elektromotoryczną – ε do żywego organizmu.
Błona komórkowa otaczająca komórki wykazuje cechy charakterystyczne dla kondensatorów – przez co w żywym organizmie powstaje reaktancja pojemnościowa – XC.
Aby błona komórkowa działała jak kondensator przepływający przez organizm prąd przemienny musi mieć odpowiednią częstotliwość. Prąd musi przepływać przez błonę komórkową i wnętrze komórki. Dlatego przyjęto, że do wyznaczania kąta fazowego prąd przemienny musi mieć częstotliwość 50 kHz. Prądy o niskiej częstotliwości nie są wstanie pokonać bariery jaką jest błona komórkowa. W takim przypadku prądy przepływają wokół komórek. Należy mieć na uwadze, że prądy stosowane w BIA mają niewielkie skuteczne napięcie i natężenie. Nie stanowią one żadnego zagrożenia i są nieodczuwalne.
Nie bez przyczyny wielokrotnie używałem sformułowania ‘żywy organizm’. Dlaczego tak robiłem wyjaśnia eksperyment jaki jeden z producentów urządzeń do analizy składu ciała metodą BIA proponuje swoim klientom żeby wykonali. Z uwagi, że jest to urządzenie zaopatrzone w ruchome elektrody, które można przyklejać, podłączać do ciała proponuje on aby:
· do surowego ziemniaka podłączyć elektrody i zmierzyć bioimpedancje, oraz kąt fazowy – φ,· następnie ziemniak ugotować,· po ugotowaniu ponownie podłączyć elektrody i zmierzyć bioimpedancje, oraz kąt fazowy – φ.
W efekcie tych działań dowiadujemy się, że surowy ziemniak wykazuje kąt fazowy – φ o zmierzonej wielkości. Ugotowany ziemniak wykazuje kąt fazowy – φ równy zero. Stało się tak, bo ugotowanie ziemniaka doprowadziło do zniszczenia błon komórkowych – jego obumarcia.
Gwoli wyjaśnienia analizatory składu ciała możemy podzielić na zintegrowane z wagą (do pomiaru masy ciała) i przyłóżkowe. Urządzenia o ruchomych elektrodach należą do tej drugiej grupy. Pozwalają na pomiary bioimpedacji, określania składu ciała, kąta fazowego – φ także u leżących osób.
Tyle eksperymentów i praktyki. Czas na teorię i zrozumienie fizyczne kąta fazowego – φ żywych organizmów.
Aby zrozumieć fizyczną naturę i kąta fazowego – φ, poniżej zamieszczam trzy rysunki pokazujące jak zachowuje się prąd przemienny:
· w obwodzie gdzie wstępuje tylko rezystancja – R (obwód czysto omowy),
· w obwodzie gdzie występuje tylko kondensator – C (obwód czysto pojemnościowy), gdzie mamy do czynienia z reaktancją pojemnościową – XC oraz kątem fazowym – φ,
· w obwodzie złożonym gdzie występuje rezystancja – R, reaktancja pojemnościowa – XC oraz kąt fazowy – φ.
obwod czysto omowy
obwod pojemnosciowy
Jak powyżej widać – wzór w ramce, reaktancja pojemnościowa XC kondensatora zależy od: częstotliwości prądu oraz od pojemności kondensatora (w przypadku żywego organizmu od jakości błony komórkowej – jej pojemności elektrycznej).
Kąt fazowy – φ dla obwodu składającego się wyłącznie z kondensatora i źródła siły elektromotorycznej – ε wynosi -90o.
Powyższy rysunek przedstawia zachowanie się prądu przemiennego w najprostszym obwodzie – R,C. W tym przypadku kąt fazowy – φ będzie większy -90o i mniejszy od 0o.
Poniżej pokazano najprostszy model BIA żywego organizmu. Jest on nieco bardziej skomplikowanym obwodem niż powyżej zaprezentowany. Zachowanie się w nim prądu jest podobne do wyżej pokazanego.
model bio
Kąt fazowy – φ w biompedancyjnej analizie składu ciała wyznacza się dla prądu o częstotliwości 50 kHz.
Jak pokazano na przykładzie obwodu czysto pojemnościowego, w obwodzie R,C kąt fazowy – φ nie może być mniejszy niż -90o i zależy od częstotliwości prądu f, oraz wielkości reaktancji XC w stosunku do rezystancji – R obwodu.
Po dokonaniu pomiarów biorezystancji – R i bioreaktancji – X można obliczyć kąt fazowy korzystając ze znanych już wzorów (dla miary łukowej kąta i w stopniach):
kąt fazowy
Należy mieć na uwadze, że kąt fazowy ma wartość ujemną (patrz powyższy rysunek) jednakże na wydrukach raportów z pomiarów i w publikacjach bywa podawany moduł wartości kąta fazowego – czyli wielkość dodatnia (bez znaku minus, rysunek poniżej).
Definicja kąta fazowego w analizie składu ciała metodą BIA i do czego może się przydać?
PhA, PA – (ang. Phase angle) kąt fazowy wytworzony przez błony aktywnych metabolicznie komórek organizmu dla przepływającego przez niego lub jego część prądu przemiennego o częstotliwości 50 kHz. Kąt fazowy jest wprost proporcjonalny do ilości BCM. Kąt fazowy jest bezpośrednim parametrem pomiarowym czyli ‘surową wartością pomiarową’, która nie jest zależna od algorytmów, modeli obliczeniowych. Związany jest z precyzją pomiaru – jakością elektroniczną urządzenia pomiarowego. Jest ogólną miarą udziału integralności błony komórkowej i pozwala na określenie kondycji komórek, oraz stanu zdrowia organizmu. Mówiąc obrazowo, dobrze odżywione, zdrowe i ‘dorodne’ komórki o stabilnych, i wysokich potencjałach błonowych wywołują duży kąt fazowy, podczas gdy słabo odżywione lub ‘chore i więdnące’ komórki, o niskich potencjałach błonowych mają odpowiednio małe kąty fazowe.
Jest on także wskaźnikiem żywieniowym u dorosłych i dzieci. W przypadku stosowania diet o ujemnym bilansie energetycznym będzie się obniżał. Niski kąt fazowy jest związany z niezdolnością komórek do magazynowania energii i wskazuje na załamanie selektywnej przepuszczalności błon komórkowych.
Dla dorosłych kąt fazowy całego ciała wynosi odpowiednio: kobiety 5o, mężczyźni 6o. Wraz z wiekiem wartość kąta fazowego zmniejsza się.
Wysportowani i prawidłowo odżywieni nastolatkowie mogą mieć kąt fazowy 10o lub większy.
Najwyższej klasy, wyczynowi sportowcy mogą mieć kąt fazowy 12o lub większy.
Bardzo niski kąt fazowy związany jest z:
· niedożywieniem,· chorobą AIDS,· chorobami przewlekłymi (np. marskością wątroby, chorobami nerek lub gruźlicą płuc),· niewłaściwym stylem życia (przewlekły alkoholizm),· większością rodzajów raka.
Pomiar kąta fazowego jest wykorzystywany również w medycynie sportowej. Jego niska wartość może także wskazywać na skrajne wyczerpanie fizyczne, przeciążenie fizyczne typowe dla sportowców uprawiających sporty ekstremalne.
Istnieje bardzo bogata, medyczna bibliografia dotycząca kąta fazowego i wyżej wymienionych chorób.
Poniżej zamieszczam trzy raporty z analizy składu mojego ciała uzyskane za pomocą medycznego urządzenia TANITA MC-580M.
Pierwszy przed, drugi po wprowadzeniu diety o silnie ujemnym bilansie energetycznym. Trzeci raport upraszczając po wprowadzeniu naprzemiennie diet: o mniejszym deficycie energetycznym i bez deficytu. Raport trzeci różni się kolorystycznie od pierwszych dwóch z powodu wyczerpania jednego z tonerów w kolorowej drukarce.
Pokazują one to, że wprowadzenie diety o ujemnym bilansie energetycznym wpływa na zmianę kąta fazowego. Co jest zgodne z jego definicją.
Z powodu ‘zajadania stresu’ podczas ostatnich miesięcy życia mojej Mamy, kiedy walczyłem aby jej dobrostan był taki jak zawsze – sporo przytyłem. Dobrostan udało mi się utrzymać pomimo jej choroby nowotworowej. Dzięki wykorzystaniu BIA błyskawicznie reagowałem na zmiany składu jej ciała – odpowiednio dobierając ilość przyjmowanych dawek preparatów: białkowego oraz żywieniowego (oprócz ‘normalnego’ jedzenia).
Zanim rozpocząłem dietę o silnie ujemnym deficycie energetycznym przygotowywałem się do tego przez trzy miesiące. Nie wolno stosować radykalnego obniżenia dostarczania energii bez uprzedniego przygotowania organizmu. Pomijam tu krótkotrwałe posty.
Łatwo zauważyć, że wprowadzenie deficytu energetycznego spowodowało obniżenie wielkości kątów fazowych dla poszczególnych części ciała. Ogólnie można stwierdzić, że w wyniku deficytu energii kąt fazowy zmniejszył się z poziomu rzędu 7o do poziomu rzędu 6o.
W tym miejscu nie będę szczegółowo omawiał prezentowanych rezultatów analizy BIA ale zasygnalizuję najważniejsze spostrzeżenia.
Na podstawie analizy składu ciała metodą BIA (wykonanych moim domowym czteroelektrodowym oraz ośmioelektrodowym medycznym TANITA) poznałem lepiej fizjologię mojego ciała. Okazało się, że w moim przypadku (inne osoby mogą inaczej funkcjonować):
· nawet niewielki nadmiar spożytego cukru powoduje magazynowanie go w postaci tłuszczu trzewnego,
· żeby zacząć efektywnie spalać tłuszcz trzewny konieczna jest znaczna utrata tłuszczu podskórnego.
Z uwagi, że mój poziom tłuszczu trzewnego VFR wynosił 12 co jest wartością graniczną dla populacji europejskiej (antropolodzy określają ją jako kaukaską) zamierzałem osiągnąć jego wartość rzędu 7-8. Ponadto mój wiek metaboliczny był taki sam jak metrykalny – co nie powinno mieć miejsca w przypadku posiadania dużej ilości mięśni i wykazywania aktywności fizycznej. Potwierdzeniem tego są wyniki badania USG jamy brzusznej, w którym stwierdzono: „Wątroba niepowiększona, hyperechogeniczna z cechami stłuszczenia, o jednorodnej echostrukturze.” Lekarz radiolog stwierdził, że taki stopień stłuszczenia w moim wieku jest rzeczą normalną i na tle naszej populacji jest to dobry stan (większość mężczyzn w moim wieku ma znacznie większy stopień stłuszczenia). Badanie wykonano dwa dni przed analizą składu ciała tj. 2023.11.16.
Tak więc, aby pozbyć się nadmiaru tłuszczu trzewnego musiałem najpierw spalić tłuszcz podskórny a potem likwidować nadmiar tłuszczu trzewnego.
Aby oceniać prawidłowość zawartości poszczególnych składników ciała w większości przypadków należy odnosić się do ich procentowego udziału a nie mas wyrażonych w kilogramach.
W ciągu pierwszych dwóch miesięcy diety o silnie ujemnym bilansie energetycznym masa ciała spadła o 8,4 kg, z czego masa tłuszczu zmniejszyła się o 7,8 kg, VFR o 3. Można powiedzieć, że na tym krótkim etapie spalałem sam tłuszcz.
Potwierdzeniem zmniejszenia się VFR - czyli ilości tłuszczu trzewnego jest wykonana w dniu 2024.02.13 tomografia jamy brzusznej. W badaniu stwierdzono: „Wątroba niepowiększona o prawidłowej densyjności, bez podejrzanych zmian ogniskowych”.
Wiek metaboliczny zmniejszył się o 15 lat w porównaniu do metrykalnego.
Tak szybka zmiana masy ciała nie jest wskazana dla ‘zwykłych’ osób tym bardziej dla tych z problemami zdrowotnymi, i takich które nie uprawiają sportu. Jest to zbyt duże obciążenie dla niewytrenowanego serca.
Osoby z problemami kardiologicznym powinny najpierw skonsultować się z kardiologiem. Najczęściej ze względu na obciążenie serca zmiana masy ciała ‘zwykłych osób’ nie powinna przekraczać 2,5 kg miesięcznie. Pisząc zmiana masy ciała mam na myśli spadek lub przyrost masy. Jedno i drugie jest obciążeniem dla serca. Pomijam tu przypadki gigantycznej otyłości, terapii prowadzonych pod ścisłą opieką lekarską (to lekarz ocenia ryzyko, korzyści i tempo zmiany masy ciała).
W ciągu kolejnych pięciu miesięcy masa ciała spadła o 13,3 kg, w tym tłuszczu 7,1 kg, VFR o 4.
Proszę zauważyć, że wraz ze stosowaniem diety podnosił się poziom mojego nawodnienia i metabolizmu. Wraz ze spalaniem tłuszczu 14,9 kg zmniejszała się masa mięśni i kości bo organizm nie potrzebował ich aż w takiej ilości. Aby być tak samo silnym i sprawnym nie mając dodatkowego balastu – nie potrzeba tylu mięśni i kości.
Wyjątek stanowiły mięśnie nóg gdzie ich masa w stosunku do masy ciała wzrosła. Było to spowodowane treningami aerobowymi a głównie jazdą na rowerze i bieganiem. Kulturysta powiedziałby, że ‘wyrzeźbiłem nogi’ natomiast fizjolog, że mam za mało tłuszczu. Tłuszcz w odpowiedniej ilości jest potrzebny (zwłaszcza brązowy). Oczywiście zareagowałem na to i obecnie ważę 66-67 kg, VFR wynosi 7-8 (co jest pokazane w raporcie z kiosku profilaktycznego NFZ patrz – Akcje cykliczne – Akcje NFZ – Kiosk Profilaktyczny NFZ).
Pytanie dlaczego tak się stało, że zszedłem nieco poniżej zamierzonego celu?
Odpowiedź jest prosta mój domowy czteroelektrodowy analizator BIA nie ma możliwości wykonania tak precyzyjnej, segmentowej analizy składu ciała. Z profesjonalnego medycznego Tanita MC-580M mogę korzystać tylko podczas akcji profilaktycznych organizowanych przez kielecki NFZ.
Od marca 2024 roku te same analizatory składu ciała BIA są dostępne w Kioskach Profilaktycznych NFZ, ale obsługujący je interfejs udostępnia tylko najbardziej podstawowe (patrz menu Akcje cykliczne – Akcje NFZ – Kiosk Profilaktyczny NFZ). Miejmy nadzieję, że NFZ to zmieni i udostępni odwiedzającym Kiosk pełne możliwości jakie daje medyczny sprzęt TANITA MC-580M.
Konkludując w ciągu nieco ponad 7 miesięcy przemodelowałem swoje ciało. Masa zmniejszyła się o 21,7 kg z czego 14,9 kg to był tłuszcz. Zmieniła się również ilość mięśni i kości gdyż masa ciała uległa zmniejszeniu.
Wiek metaboliczny zmniejszył się o 15 lat w porównaniu do metrykalnego.
Przy niedoborze energetycznym kąt fazowy dla poszczególnych części ciała w moim przypadku spadł o ok. 1o .
Brak cech stłuszczenia wątroby utrzymuję do dnia dzisiejszego. Stan ten został potwierdzony za pomocą analizy składu ciała w dn. 2024.10.18 (patrz raport w opcji ‘Kiosk Profilaktyczny NFZ’) oraz w kolejnym badaniu USG jamy brzusznej z dn. 2024.09.21, które wykazało brak stłuszczenia: „Wątroba niepowiększona, normoechogeniczna, o jednorodnej strukturze’.
Tanita raport 1
Raport Tanita 2
Bibliografia
· D. Halliday, R. Resnick Fizyka, Tom 2. PWN, Warszawa 1989, tłum. Physics, Part II. John Willey & Sons 1978.
· H. Stöcker edytor praca zbiorowa Nowoczesne kompendium fizyki. PWN, Warszawa 2010, tłum. Taschenbuch der Physik Formeln, Tabellen, Übersichten. Harri Deutsch GmbH 2007.
· Bronsztejn I.N., Siemiendiajew K.A., Matematyka Poradnik encyklopedyczny cz. 2, PWN, Warszawa 1989, tłum. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Государственное Издательство Физико-математической Литературы. Москва 1965.
· Wm.C. Chumlea, and S.S. Guo. Bioelectrical impedance: a history, research issues, and recent consensus. S.J. Carlson-Newberry and R.B. Costello (ed.), Emerging Technologies for Nutrition Research: Potential for Assessing Military Performance Capability. Committee on Military Nutrition Research Food and Nutrition Board Institute of Medicine. National Academy Press, Washington, D.C. 1997.
· A. Stahn, E. Terblanche, and H. Ch. Gunga. Use of Bioelectrical Impedance: General Principles and Overview. V.R. Preedy (ed.), Handbook of Anthropometry: Physical Measures of Human Form in Health and Disease. Springer Science+Business Media, LLC 2012.
· Composition of the ESPEN Working Group. ESPEN GUIDELINES. Bioelectrical impedance analysis part I: review of principles and methods. Clinical Nutrition (2004) 23.
· Composition of the ESPEN Working Group. ESPEN GUIDELINES. Bioelectrical impedance analysis part II: utilization in clinical practice. Clinical Nutrition (2004) 23.
Strona główna | Dlaczego to robię ... | Najbliższe zdarzenia | Akcje profilaktyczne | Akcje aktywność fizyczna | Analiza składu ciała | Historia nowotworu mojej Mamy | Tryb życia i profilaktyka | Postępowanie w chorobie | Kontakt | Ogólna mapa witryny
