Feasibility of body electrical loss analysis in detection of abdominal visceral fat

Abstract

Objective: An excessive amount of abdominal visceral fat has found to be linked to metabolic and cardiovascular health much more than the body mass index (BMI). However, a cost-effective and accurate estimation of abdominal visceral fat accumulation in individuals and groups is hard. This work explores the feasibility of a novel bioimpedance-based method, named as body electrical loss analysis (BELA), aimed at estimating abdominal visceral fat that is in good agreement with estimates obtained using magnetic resonance imaging (MRI). Approach: During the BELA measurement, the subject's abdomen is covered with a radio frequency coil comprising a tunable high-Q LC resonator. No contact electrodes are attached to the subject standing within the coil. The time-varying magnetic field produced by the coil induces so-called eddy currents in the abdomen. The induced currents oppose the applied magnetic field, and from the coil's point of view power is lost, i.e., the coil is loaded. Lean body tissue that is electrically more conductive than fatty tissue loads the coil more. The loading effect is also heavily dependent on the radial distance of the tissue. So instead of just measuring the losses at some resonant frequency, the novel idea was to measure the rate of loss as a function of frequency. This was expected to have a strong relationship with the internal conductivity of the abdomen, i.e., indicating its level of adiposity. Main results: A promising correlation (r = 0.86 with SEE = 29.7 cm2) was found between the loss changing rate measured at the height of umbilicus +5 cm and the visceral fat area obtained with MRI in nine subjects recruited from laboratory personnel and acquaintances. However, the results obtained with the improved prototype in a clinical trial (17 males, 21 females, age 20–68 years, BMI 19.6–39.4 kg/m2, and waist circumference 78–128 cm) led to considerably weaker correlation, r = 0.61 with SEE = 59.30 cm2. Instead, BELA was found to correlate strongly with the circumference of abdominal wall muscles estimated from the waist circumference and the abdominal subcutaneous fat layer thickness measured with the abdominal impedance measurement (r = 0.86–0.90). The relationship with the subcutaneous fat area was found to be weak in both studies (r < 0.5), as was expected. Significance: Although the results do not suggest proposing the BELA in its current form for the prediction of abdominal visceral fat, the novelty of the method is considered a help to guide future studies on bioimpedance-based methods. The strong correlation of BELA with the circumference of abdominal wall muscles suggests its potential in other applications of body composition. The difference between the BELA and the widely used bioimpedance analysis (BIA) is that the BELA relies on the measurement of electrical loss only. No statistical gender, age, or anthropometry is used in the BELA.

Tavoite: Viskeraalinen eli sisäelinten ympärille kertyvä rasva lisää huomattavasti enemmän terveysriskejä kuin ihonalainen rasva. Diabetekseen ja sydänsairauksiin liitetyn sisäelinrasvan mittaaminen tarkasti yksinkertaisin menetelmin on kuitenkin haastavaa. Yleisesti käytetty painoindeksi (engl. body mass index, BMI) ei tee eroa rasvan jakautumisesta sisäelinrasvan ja ihonalaisen rasvan välillä. Myös täysin normaalipainoinen henkilö voi olla sisäisesti lihava. Tässä työssä kehitettiin uudenlainen kehonkoostumusmittaus-menetelmä, jonka soveltuvuutta viskeraalisen rasvan mittaamisessa tutkittiin magneettikuvantamisen avulla. Menetelmä nimettiin BELA:ksi, mikä tulee englannin kielen sanoista body electrical loss analysis. Menetelmä: BELA-mittaus perustuu magneettikentässä tapahtuvien häviöiden havainnointiin.Mitattavan henkilön vatsa ympäröidään kelalla, jolloin kelan tuottama muuttuva magneettikenttäkohdistuu vatsaan pystysuunnassa. Mittaus on kontaktiton eikä erillisiä ihoon liimattavia elektrodeja tarvita. Muuttuvan magneettikentän kudoksiin indusoimien pyörrevirtojen aiheuttama häviö havaitaan kelan kuormittumisena. Pehmytkudos johtaa rasvakudosta huomattavasti paremmin sähkövirtaa, joten se kuormittaa kelaa enemmän. Kehon ulkosäteellä sijaitseva pehmytkudos kuormittaa kelaa myös huomattavasti enemmän kuin sisemmällä säteellä oleva. Ideana oli mitata kelan kuormitus taajuuden funktiona. Tällä ajateltiin olevan yhteys vatsan sisäisen johtavuuden kanssa. Toisin sanoen mitä nopeammin kelan kuormitus kasvaa taajuuden funktiona sitä enemmän mitattavalla henkilöllä olisi sisäistä rasvaa.Tulokset: Ensimmäiset kokeet yhdeksällä koehenkilöllä antoivat korrelaatioksi 0.86 BELA:n ja magneettikuvantamisella mitatun viskeraalisen rasvan pinta-alan välille. Regressioanalyysille laskettu keskivirhe (SEE) oli 29.7 cm2. Kolmekymmentäkahdeksan koehenkilöä sisältävässä jatkotutkimuksessa (17 miestä, 21 naista, ikä 20–68 vuotta, BMI 19.6–39.4 kg/m2, vyötärönympärys 78–128 cm) korrelaatio BELA:n ja magneettikuvan välillä jäi kuitenkin selvästi heikommaksi (r = 0.61, SEE = 59.30 cm2). Sen sijaan BELA:n havaittiin korreloivan voimakkaasti (r = 0.86–0.90) vatsan seinämän lihaksien muodostaman ympärysmitan kanssa. Korrelaatio ihonalaisen rasvan pinta-alaan oli molemmissa tutkimuksissa odotetusti heikko (r < 0.5). Tuloksien merkitys: Vaikka saatu korrelaatio ei ole riittävä tarkan regressioyhtälön kehittämiseksi BELA-mittauksen ja magneettikuvantamisella havaitun viskeraalisen rasvan välille, tutkimuksen uskotaan auttavan uusien bioimpendanssilaitteiden kehittämistä. Idea häviöiden kasvunopeuden mittaamisesta on kehonkoostumusmittauksissa uusi. Voimakas korrelaatio BELA:n ja vatsan seinämän lihaksien muodostaman ympärysmitan kanssa antaa uskoa siihen, että BELA:aa voitaisiin kehittää uuteen suuntaan. Bioimpedanssianalyysiin (BIA) verrattuna BELA eroaa siinä, että se perustuu vain mitattuun sähköiseen häviöön. Analyysi ei sisällä henkilön sukupuolta, ikää tai antropometrisia lisämittauksia.