Marsikdo od nas je že stal z bosimi nogami na tehtnici z vgrajenimi elektrodami, ki nam je poleg drugih meritev izmerila tudi delež maščobnega tkiva. Pametne tehtnice so v zadnjih letih postale skoraj vsakdanji pripomoček v mnogih gospodinjstvih. Poleg telesne teže nam pogosto pokažejo še odstotek telesne maščobe, mišične mase in količine vode v telesu. Marsikoga ti podatki zanimajo, včasih pa tudi zmedejo, saj se lahko od dneva do dneva opazno spreminjajo.
Kako lahko naprava, na kateri samo stojimo, sploh ugotavlja, kaj se dogaja v našem telesu? Odgovor se skriva v merjenju bioimpedance – električne lastnosti človeškega telesa.
Človeško telo kot prevodnik elektrike – fizikalno ozadje bioimpedance
Človeško telo je večinoma sestavljeno iz ionske raztopine, človeške celice pa obdaja lipidna membrana, ki se obnaša kot kondenzator. Človeško telo si tako lahko predstavljamo kot sistem povezanih uporov R in kondenzatorja C (slika 1).
Taki sistemi imajo v splošnem električno upornost (R) in kapacitivno upornost (reaktanco – Xc). V elektrotehniki upornost te mešane vezave imenujemo električna impedanca (Z) oziroma bioimpedanca, kadar gre za biološke sisteme. Torej človeško telo modeliramo kot R-C vezje (Slika 2).
Impedanca (bioimpedanca) je odvisna tudi od frekvence izmeničnega toka. Od frekvence je odvisen tudi kot φ med tokom in napetostjo. Razmišljajmo, kaj bi bilo, če bi skozi človeško telo tekel enosmerni tok. Ta tok lahko teče samo skozi medcelični prostor-(predstavitev z Re), saj se membrane celic obnašajo kot kondenzator (C) in ne prevajajo enosmernega toka. Z višanjem frekvence, pa se kapacitivna upornost-reaktanca celičnih membran zmanjšuje in s tem tudi celotna bioimpedanca Z človeka. Visokofrekvenčni tok teče lažje skozi človeško telo kot enosmerni, saj lahko prehaja tudi skozi celične membrane. Malce poenostavljeno lahko rečemo: Pri nizkih frekvencah električni tok teče predvsem po zunajceličnem prostoru, saj celične membrane delujejo kot električni kondenzator. (tok teče skozi Re). Z višanjem frekvence se kapacitivna reaktanca zmanjšuje, kar omogoča prehod toka tudi v znotrajcelični prostor (slika 2). Kapacitivna upornost je frekvenčno odvisna, kar prikazuje spodnja formula:
(
Na ta način večfrekvenčna bioimpedančna analiza omogoča ločeno oceno zunaj- in znotrajcelične tekočine ter boljšo oceno mišične mase. Visokofrekvenčni tok torej lahko prehaja tudi skozi Cm in Ri (znotrajcelični prostor), nizkofrekvenčni tok pa lahko prehaja le skozi Re (medcelični oziroma zunaj celični prostor) (Slika 2).
Človeška tkiva so tudi različna: tako je specifična upornost krvi 1,5 , specifična upornost maščobnega tkiva pa je 25 x večja, kjer ima maščobno tkivo veliko upornost. Obe tkivi se obnašata elektrotehniško kot delovna upora R. Pri mišičnem tkivu pa ima kapacitivna upornost večji pomen. Pri nizkih frekvencah ima mišično tkivo nekajkrat večjo upornost kot kri, pri frekvenci 1 MHz pa je upornost mišičnega tkiva približno enaka kot upornost krvi. Z uporabo različnih frekvenc tako lahko dobimo informacije o porazdelitvi tekočine v telesu ter o razmerju med mišično in maščobno maso. Prav ta lastnost je v medicini še posebej pomembna.
Torej ko skozi telo steče zelo šibek električni tok, naleti na določeno električno upornost. Ta upornost ni stalna, ampak je odvisna od vrste tkiva, količine telesne vode in frekvence električnega signala. Skupno električno oviro, ki jo telo predstavlja električnemu toku, imenujemo bioimpedanca Z. Več maščobnega tkiva pomeni večjo bioimpedanco Z, več mišic in vode pa manjšo.
Kako deluje pametna tehtnica v praksi?
Večina pametnih tehtnic za domačo uporabo meri bioimpedanco le pri eni frekvenci, najpogosteje okoli 50 kHz. Tehtnica skozi stopala spusti zelo šibek električni tok, ki potuje skozi noge in spodnji del telesa. Na podlagi tega naprava oceni delež telesne maščobe, mišic in vode.
Pomembno je poudariti, da pametna tehtnica maščobe ne meri neposredno, temveč jo izračuna na podlagi električnih lastnosti telesa in statističnih modelov.
Poskušajmo razumeti vse, kar smo do sedaj povedali, kako pametna tehtnica izračuna oziroma oceni vrednost maščob.
Pri nizkih frekvencah je impedanca visoka, saj teče tok samo po zunajcelični tekočini. Imamo opravka predvsem z realno upornostjo Re zunajcelične vode. Impedanca odraslega človeka znaša tipično 300 do 600 ohmov odvisno od višine, hidracije, mišične mase človeka. Fazni kot pa je blizu 0 stopinj. Pri srednji frekvenci na primer okoli 50 kHz (standardna frekvenca merjenja bioimpedance), celična membrana zelo prepušča električni tok, impedanca je manjša, fazni zamik pa je največji lahko tudi okoli 25 stopinj. Imamo opravka tako z realno vrednostjo upornosti R e kot imaginarno kapacitivno upornostjo Xc (predstavitev z vzporedno vezavo Re in C). Pri frekvenci več kot 100 kHz pa je tipična impedanca najmanjša, to je med 150 do 300 ohmov, saj tok teče poleg zunajceličnega prostora (Re), tudi skozi membrane celic v znotrajceličnem prostoru, kapacitivne upornosti pa pri teh visokih frekvencah praktično ni. Realne delovne upornosti (Re) zunaj in znotrajceličnega prostora (Ri) pa si lahko predstavljamo kot vzporedno vezavo dveh upornosti R in zato je impedanca sedaj najmanjša, kar se učijo otroci pri osnovnošolski fiziki.
Zamislimo si, da imamo dva moška. Prvi je vitek in mišičast, drugi pa je s prekomerno telesno teže z veliko maščobnega tkiva. Predpostavimo tudi meritev v celotnem frekvenčnem pasu.
Osnovni princip pametne tehtnice temelji na naslednjem: kot smo že povedali, ima maščobno tkivo zelo malo vode in elektrolitov in zato ima veliko upornost (je slab prevodnik). Pri mišičnem tkivu pa imamo dobro prevodnost. Impedanca človeka je zato zelo odvisna od razmerja med deležem maščobnega tkiva in mišicami.
Razlike bodo naslednje: vitki, mišičasti bodo imeli manjšo impedanco na primer okoli 300 ohmov pri 50 kHz, prekomerno težki pa med 400 in 600 ohmov pri 50 kHz. Debel človek ima več maščob, ki slabo prevajajo električni tok, mišične mase je malo, zato je tudi celotna bioimpedanca debelega človeka večja. Po drugi strani pa so pri vitkih, mišičastih osebah, mišice bogate z vodo in elektroliti, celične membrane so tu izrazitejše in imamo opravka z nižjo bioimpedanco.
Zakaj se rezultati spreminjajo?
Uporabniki pogosto opazijo, da se rezultati tehtnice razlikujejo iz dneva v dan. Na bioimpedanco močno vplivajo količina popite tekočine, telesna aktivnost, čas dneva, telesna temperatura ter celo vlažnost kože. Zato so pametne tehtnice primernejše za spremljanje dolgoročnih trendov kot za enkratne meritve.
Kaj lahko z bioimpedanco ugotavljajo zdravniki?
V medicini se merjenje bioimpedance uporablja precej širše kot pri domačih tehtnicah. Z več frekvenčnimi napravami lahko zdravniki spremljajo porazdelitev telesne tekočine, kar je zelo pomembno pri bolnikih s srčnim popuščanjem ali boleznimi ledvic.
Bioimpedanca se uporablja tudi pri bolnikih na dializi za oceno hidracije, pri starejših za zaznavanje izgube mišične mase (sarkopenija) ter pri onkoloških bolnikih za spremljanje sprememb telesne sestave med zdravljenjem. V nekaterih primerih lahko spremembe bioimpedance opozorijo na zastajanje tekočine ali podhranjenost še preden se pojavijo očitni klinični znaki. Metoda merjenja bioimpedance pri različnih frekvencah je lahko uporabna tudi pri spremljanju edemov ter srčnega popuščanja.
Zaključek
Pametna tehtnica ne poda popolne slike našega telesa, lahko pa nam da koristno oceno, če razumemo njene omejitve. Razumevanje osnovnega principa bioimpedance nam pomaga, da rezultate uporabljamo bolj premišljeno in jih ne jemljemo kot absolutno resnico, temveč kot orientacijo in podporo zdravemu življenjskemu slogu.
Pripravili: Maša Lilija, študentka UL MF, mag. Boštjan Lilija
Literatura
J. Derganc, Medicinska biofizika, Ljubljana, oktober 2023
M. Lilija, B. Lilija, Bioimpedanca, Revija ER, November 2025
