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Impedenziometria clinica

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Approfondimenti

Impedenziometria: Note tecniche e cliniche


 


Qualche cenno di fisica

Impedenza
Rappresenta l'opposizione che un dato circuito - il corpo umano lo si può considerare tale - offre al passaggio della corrente elettrica alternata. In termini più rigorosi, il rapporto tra tensione e corrente in un circuito attraversato da corrente alternata. Tutte le sostanze offrono una resistenza al passaggio della corrente elettrica. La legge di Ohm afferma che l'impedenza di un corpo è proporzionale alla caduta di tensione che si riscontra ai suoi capi quando esso venga attraversato da una corrente elettrica. Nel modello RC-serie, che identifica la massima semplificazione del corpo nelle due componenti resistive e capacitive, l'impedenza risulta composta, a sua volta, dalla relazione tra i parametri di resistenza e reattanza.
Il rapporto trigonometrico tra i due parametri costituisce l'angolo di fase. Impedenza ed angolo di fase sono indispensabili per descrivere correttamente un circuito elettrico come il corpo.

La resistenza, l'impedenza e la reattanza vengono espresse in Ohm. 

Resistenza
Proprietà di un materiale che si oppone al flusso di una corrente continua. Rappresenta il contributo dato all'impedenza da parte delle componenti resistive. È ragionevole ascrivere la componente resistiva dell'impedenza corporea ai fluidi intracellulari ed extra cellulari, e agli elettroliti ivi contenuti, anche se questa definizione appare riduttiva e inadatta a rappresentare completamente il "circuito" corpo umano.

Reattanza
Contributo dato all'impedenza da parte di componenti non puramente resistive, ad esempio condensatori e induttanze responsabili rispettivamente della reattanza capacitiva e induttiva. 
Nel corpo la reattanza capacitiva può essere assegnata alla cellula per il doppio strato di membrane fosfolipidiche. La reattanza una forza non conservativa, apprezzabile soltanto se la misura del circuito viene effettuata utilizzando una corrente elettrica alternata.

Induttanza
Parametro definito dal rapporto tra il flusso magnetico concatenato, prodotto dalla corrente che attraversa un circuito e l'intensità della corrente stessa. Si misura in Henry o, più comunemente, con il suo sottomultiplo mH, che corrisponde a un millesimo di Henry. Non essendo apprezzabili le variazioni di flusso magnetico misurate sul corpo, durante la rilevazione dell'impedenza, si suole a ragione trascurare la componente induttiva della reattanza.

Capacità
Esprime la proprietà di un circuito dove l'energia può essere accumulata in un campo elettrostatico, ovvero la quantità di carica elettrica che può essere accumulata o restituita da un condensatore. Le strutture biologiche, quali le membrane fosfolipidiche delle cellule, vengono concettualmente assimilate a condensatori. Si misura in Farad (F) o con i suoi sottomultipli nanofarad (nF) e picofarad (pF).

Angolo di fase
L'angolo di fase è definito come arco tangente del rapporto fra reattanza e resistenza, secondo un calcolo che presume il corpo come un circuito RC serie. La misura può variare in modulo, da 0 a 90 gradi, a seconda che il circuito sia solo resistivo o solo reattivo. È riscontrato che l'angolo di fase di un uomo sano oscilla in modulo fra i 4 ed i 15 gradi, ma è ancora arduo stabilire se all'interno di questo range possano esistere classi nette di valori corrispondenti a precise modificazioni dello stato nutrizionale. L'angolo di fase potrebbe essere un indicatore dello stato di integrità della membrana cellulare.

La storia della metodica

Le prime correlazioni fra l'impedenza bioelettrica e il contenuto di acqua totale (TBW) furono ricavate già nel 1940. Successivamente Nyboer ('59) ha eseguito vari lavori e trial sulle modificazioni dell'impedenza bioelettrica indotte da variazioni del flusso sanguigno, delle pulsazioni arteriose e della funzionalità respiratoria. Trattandosi di misurazioni di volumi, la tecnica venne battezzata "pletismografia a impedenza". Thomasset, trovò nel 1962 una correlazione fra l'acqua corporea totale e l'impedenza elettrica rilevata impiegando due elettrodi ad aghi sottocutanei. Egli osservò che l'impedenza corporea forniva una stima accurata dell'acqua extra cellulare e totale, a frequenze di 1 e 100 kHz rispettivamente. Valori di frequenza questi, poi ripresi in anni recenti da altri Autori, i quali miravano alla stima della ripartizione dei fluidi intra ed extra-cellulari. Nel 1969 Hoffer e la sua scuola confermarono l'attendibilità degli studi di Thomasset, questa volta impiegando un sistema a quattro elettrodi cutanei. L'analisi impedenziometrica ha acquistato popolarità grazie ai recenti studi ('80) di Hoffer, Nyboer, Lukaski, Kushner e numerosi altri Autori, caratterizzando la loro produzione sul sistema a monofrequenza (50 kHz) tetrapolare. È solo nel decennio '90 che si è resa disponibile una nuova generazione di impedenziometri tetrapolari che impiegavano un ampio range di frequenze. Ricercatori come Heitmann, Deurenberg, Boulier e Ward hanno tracciato una nuova linea di sviluppo della ricerca nella stima dei compartimenti cellulari, confermando l'utilità della multifrequenza.

La ricerca attuale

Oltre 3000 lavori scientifici confermano la validità del metodo BIA e grossi sforzi sono stati rivolti alla standardizzazione ed alla ripetibilità dell'analisi in ambito clinico e ambulatoriale. Un grosso contributo proviene dal centro ricerche DS Medica che ha svolto una lunga sperimentazione con vari Istituti di Ricerca producendo diverse pubblicazioni a carattere internazionale. I punti di forza della metodica permangono nell'assenza d'invasività, nella portabilità, nella rapidità di esecuzione, nella facilità d'uso e nel costo contenuto. 

La BIA presenta quindi molte caratteristiche della tecnica "ideale" per lo studio della composizione corporea. Nonostante siano oggi disponibili alcuni impedenziometri in grado di misurare l'impedenza per un ampio range di frequenze (da 1 kHz a 1 MHz) è consigliabile limitare la registrazione dell'impedenza a un intervallo più ristretto (Chumlea et al., 1994; Deurenberg, 1994). La precisione della misurazione diminuisce infatti con l'aumentare della frequenza, per fenomeni d'interferenza elettrica. Il comportamento in vivo ha inoltre dimostrato sperimentalmente che il corpo umano fornisce un'impedenza costante per valori di frequenza superiori ai 250-300 KHz, confermando l'inutilità di frequenze superiori. Anche se è corretto pensare che l'impedenza elettrica di una cellula, di un tessuto o di un organo, vari con la frequenza della corrente somministrata, il corpo umano, come insieme di più strutture biologiche complesse, mostra un unico comportamento ascrivibile a un range specifico e determinato di frequenze. La forma della curva e l'intervallo delle frequenze confermano la realtà sperimentale del "conduttore" uomo.

Metodica clinica

In letteratura si nota l'interesse di molti ricercatori nella BIS (Bioelectrical Impedance Spectroscopy) metodica impiegante frequenze da 1KHz a 1.5 MHz; ma per avvicinarsi alle proprietà elettriche del corpo, la BIS deve adottare modelli matematici, quali Kanai e Cole & Cole, che ritrasformano i parametri BIA adeguandoli al modello sperimentale umano. L'impiego della BIS con i relativi modelli matematici, se da una parte soddisfa la speculazione teorica, dall'altra non aggiunge nulla sul versante clinico e sperimentale. La misurazione in multifrequenza (MFBIA, multifrequency bioelectrical impedance analysis - Deurenberg 1994) dimostra di essere aderente alle proprietà elettriche del corpo umano e svincolata dai teoremi dei modelli matematici. Non conoscendo ancora il "vero" modello umano è indispensabile attenersi alle proprietà elettriche del corpo e verificare se il dato sperimentale sia il più possibile vicino alle conoscenze fisiologiche dello stesso. Questo corrisponde esattamente al percorso delineato nella formulazione tecnologica della linea MFBIA Human-Im e Handy: aumentare la precisione e l'accuratezza della misura BIA in multifrequenza, sia in soggetti sani che patologici, rimanendo all'interno della pura sperimentazione clinica.

L'impedenza e la fisiologia umana 

Una corrente elettrica sinusoidale applicata agli organismi viventi evidenzia due strutture biologiche di differente comportamento fisico:

  • I fluidi intra/extra cellulari che si comportano come conduttori resistivi
  • Le membrane cellulari che si comportano come conduttori reattivi

I tessuti magri sono altamente conduttivi per l'alto contenuto in acqua ed elettroliti e oppongono una limitata resistenza alla corrente elettrica alternata. La membrana cellulare consiste invece di un doppio strato fosfolipidico non conduttivo posto tra due strati di molecole proteiche conduttive. La struttura delle membrane cellulari rende le cellule elementi reattivi che si comportano come condensatori quando ad esse viene applicata una corrente elettrica. La sperimentazione sull'uomo ha evidenziato la scarsa significatività del parametro reattanza e soprattutto l'incerto significato biologico e clinico (Consensus Conference on BIA, NIH 1994). Impedenza ed angolo di fase sono gli unici parametri che definiscono il comportamento del corpo umano al passaggio della corrente, e ciò avviene con ottima riproducibilità nelle più svariate condizioni fisiopatologiche. Impedenza ed angolo di fese quindi rappresentano parametri universali applicabili all'uomo indipendentemente dalla configurazione topologica del soggetto in esame.

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