Comparative analysis of body fat measurement using two bioelectric impedance devices and three household scales (with the function of determining body composition) with dual-energy X-ray absorptiometry

• Alexander V. Meshtel
• Alexey G. Antonov
• Andrey N. Zhilkin
• Polina D. Rybakova
• Alexander B. Miroshnikov
• Andrey V. Smolenskiy

Abstract

Body composition assessment is often used in clinical practice to assess and monitor nutritional status. For example, body fat mass is a predictor of metabolic diseases, and for an athlete it is a criterion of performance. “Gold standard” – the method of dual-energy X-ray absorptiometry – in contrast to bioelectrical impedance analysis, is difficult to apply in everyday clinical practice. Therefore, it becomes relevant to compare the consistency of measured body fat mass using densitometry and bioimpedanceometry.

The aim of the study was to perform a comparative analysis of body fat mass estimated by bioimpedanceometry (two bioelectric impedance devices and three household scales with a function of determining body composition) and dual-energy X-ray absorptiometry.

Material and methods. Sixteen healthy, physically active adults aged 25 [23; 26] years, male (n=7) and female (n=9), participated in the cross-sectional study. Body composition was assessed under standard conditions in the morning, after a 12-hour fast, using densitometry (Stratos Dr X-ray densitometer) and bioimpedanceometry [bioelectric impedance devices: Medass ABC-01, Diamant AIST (with manufacturer’s predictive equations); household scales with a function of determining body composition: Tanita BC-718, Picooc Mini, Scarlett SC-216]. Statistical analysis was performed using Statistica 10 package (StatSoft, USA), and included Friedman’s chi-criterion, Lin’s correlation concordance coefficient, Bland–Altman method, Spearman’s correlation coefficient, and Wilcoxon’s criterion with Bonferroni correction for multiple studies.

Results. None of the bioimpedanceometry devices studied showed a relationship (Bland-Altman coefficient >0.2) or consistency (Lin’s correlation concordance coefficient <0.9) when compared to densitometry, although Spearman correlation was moderate for Tanita BC-718 (r=0.603, p<0.05), Diamant AIST (r=0.641, p<0.01) and Scarlett SC-216 (r=0.609, p<0.05), and notable for Medass ABC-01 (r=0.841, p<0.01) and Picooc Mini (r=0.718, p<0.01).

Conclusion. This study found that no bioelectrical impedance device has consistency with dual-energy X-ray absorptiometry in assessing body fat mass. Since the accuracy of body fat mass measurement is critical in body composition diagnosis, the assessment results obtained by bioimpedanceometry should be interpreted with caution.

Keywords:body composition; body fat mass; dual-energy X-ray absorptiometry; bioelectrical impedance analysis; healthy adults

References

1. Silveira E.A., Barbosa L.S., Rodrigues A.P.S., Noll M., De Oliveira C. Body fat percentage assessment by skinfold equation, bioimpedance and densitometry in older adults. Arch Public Health. 2020; 78: 65. DOI: https://doi.org/10.1186/s13690-020-00449-4

2. Benito P.J., Gómez-Candela C., Cabañas M.D., Szendrei B., Castro E.A. Comparison between different methods for measuring body fat after a weight loss program. Rev Bras Med Esporte. 2019; 25: 474–9. DOI: https://doi.org/10.1590/1517-869220192506149743

3. Achamrah N., Colange G., Delay J., Rimbert A., Folope V., Petit A., et al. Comparison of body composition assessment by DXA and BIA according to the body mass index: a retrospective study on 3655 measures. PLoS One. 2018; 13 (7): e0200465. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0200465

4. Ackland T.R., Lohman T.G., Sundgot-Borgen J., Maughan R.J., Meyer N.L., Stewart A.D., et al. Current status of body composition assessment in sport. Sports Med. 2012; 42 (3): 227–49. DOI: https://doi.org/10.2165/11597140-000000000-00000

5. Meier N.F., Bai Y., Wang C., Lee D.C. Validation of a multielectrode bioelectrical impedance analyzer with a dual-energy x-ray absorptiometer for the assessment of body composition in older adults. J Aging Phys Act. 2020; 28: 598–604. DOI: https://doi.org/10.1123/japa.2019-0211

6. Lee S.Y., Ahn S., Kim Y.J., Ji M.J., Kim K.M., Choi S.H., et al. Comparison between dual-energy x-ray absorptiometry and bioelectrical impedance analyses for accuracy in measuring whole body muscle mass and appendicular skeletal muscle mass. Nutrients. 2018; 10: 738. DOI: https://doi.org/10.3390/nu10060738

7. Wingo B.C., Barry V.G., Ellis A.C., Gower B.A. Comparison of segmental body composition estimated by bioelectrical impedance analysis and dual-energy X-ray absorptiometry. Clin Nutr ESPEN. 2018; 28: 141–7. DOI: https://doi.org/10.1016/j.clnesp.2018.08.013

8. Ward L.C., Müller M.J. Bioelectrical impedance analysis. Eur J Clin Nutr. 2013; 67 (suppl 1): S1. DOI: https://doi.org/10.1038/ejcn.2012.148

9. Harriss D.J., MacSween A., Atkinson G. Ethical standards in sport and exercise science research: 2020 update. Int J Sports Med. 2019; 40: 813–7. DOI: https://doi.org/10.1055/a-1015-3123

10. Obesity: preventing and managing the global epidemic. Report of a WHO consultation. World Health Organ Tech Rep Ser. 2000; 894: 1–253, i–xii. PMID: 11234459.

11. Rudnev S.G., Soboleva N.P., Sterlikov S.A., Nikolaev D.V., Starunova O.A., Chernykh S.P., et al. Bioimpedance study of body composition of the Russian population. Moscow: Tsentral’niy nauchno-issledovatel’skiy institut organizatsii i informatizatsii zdravookhraneniya, 2014: 493 p. ISBN: 5-94116-018-6. (in Russian)

12. Loucks A.B., Kiens B., Wright H.H. Energy availability in athletes. J Sports Sci. 2011; 29 (suppl 1): S7–15. DOI: https://doi.org/10.1080/02640414.2011.588958

13. Mountjoy M., Sundgot-Borgen J., Burke L., Carter S., Constantini N., Lebrun C., et al. The IOC consensus statement: beyond the Female Athlete Triad – Relative Energy Deficiency in Sport (RED-S). Br J Sports Med. 2014; 48 (7): 491–7. DOI: https://doi.org/10.1136/bjsports-2014-093502

14. Brel’ Y.I., Medvedeva G.A. Characteristics of functional status and body composition parameters in athletes with reduced fat mass. Problemy zdorov’ya i ekologii [Problems of Health and Ecology]. 2022; 19 (3): 73–8. DOI: https://doi.org/10.51523/2708-6011.2022-19-3-10 (in Russian)

15. Holmes C.J., Racette S.B. The utility of body composition assessment in nutrition and clinical practice: an overview of current methodology. Nutrients. 2021; 13 (8): 2493. DOI: https://doi.org/10.3390/nu13082493

16. Potter A.W., Nindl L.J., Soto L.D., Pazmino A., Looney D.P., Tharion W.J., et al. High precision but systematic offset in a standing bioelectrical impedance analysis (BIA) compared with dual-energy X-ray absorptiometry (DXA). BMJ Nutr Prev Health. 2022; 5 (2): 254–62. DOI: https://doi.org/10.1136/bmjnph-2022-000512

17. Rockamann R.A., Dalton E.K., Arabas J.L., Jorn L., Mayhew J.L. Validity of arm-to-arm BIA devices compared to DXA for estimating % fat in college men and women. Int J Exerc Sci. 2017; 10 (7): 977–88. DOI: https://doi.org/10.1249/01.mss.0000495338.91690.a4

18. Dimitrijevic M., Paunovic V., Zivkovic V., Bolevich S., Jakovljevic V. Body fat evaluation in male athletes from combat sports by comparing anthropometric, bioimpedance, and dual-energy X-ray absorptiometry measurements. Biomed Res Int. 2022; 5: 3456958. DOI: https://doi.org/10.1155/2022/3456958

19. Sansone P., Makivic B., Csapo R., Hume P., Martínez-Rodríguez A., Bauer P. Body fat of basketball players: a systematic review and meta-analysis. Sports Med Open. 2022; 8 (1): 26. DOI: https://doi.org/10.1186/s40798-022-00418-x

20. Sebastiá-Rico J., Soriano J.M., González-Gálvez N., MartínezSanz J.M. Body composition of male professional soccer players using different measurement methods: a systematic review and meta-analysis. Nutrients. 2023; 15 (5): 1160. DOI: https://doi.org/10.3390/nu15051160

Обратная ситуация наблюдалась с весами Scarlett SC-216 и Tanita BC-718. Анализ показал, что смещение было отрицательным (см. табл. 4), и общий тренд приводил к некоторому занижению результатов измерения (рис. 3Б, 4Б).

Обсуждение

Точность в определении состава тела является важным элементом в вопросах снижения массы тела и коррекции рациона питания, для чего необходимо использовать один и тот же прибор, соблюдая стандартные условия измерения, для получения более качественных результатов. В современном мире важной становится проблема избыточной массы тела и ожирения, с одной стороны, а с другой - встает проблема недостаточной массы тела и истощения как среди всего населения, так и среди спортсменов некоторых видов спорта (художественная гимнастика, фигурное катание, акробатический рок-н-ролл и др.) [12, 13], что может не только повлечь снижение работоспособности спортсмена [14], но и привести к проблемам со здоровьем, поэтому своевременная и точная диагностика избыточной или, наоборот, недостаточной ЖМТ является одним из ключевых компонентов работы диетолога и нутрициолога [15].

Результаты настоящего исследования показали, что ни один применявшийся в исследовании аппарат БИА или весы с функцией оценки состава тела не имели хорошей согласованности или связи с DXA при измерении ЖМТ. Основным источником различий результатов являются прогностические уравнения, которые используются в различных приборах. В исследовании 2022 г. A.W. Potter и соавт. пришли выводу, что для InBody 770 имело место систематическое смещение с занижением ЖМТ%, но это можно исправить с помощью простого поправочного коэффициента. Это открывает двери для широкого использования БИА для исследований здоровья, где не требуется специализированное обучение и техническая поддержка [16]. В нашем исследовании систематическое смещение варьировало от -0,8 до 2,8% в зависимости от оборудования, однако ни один из приборов не показал хорошей согласованности в сравнении с DXA. В другом исследовании R.A. Rockamann и соавт. были сделаны выводы о том, что некоторые коммерческие устройства БИА (Omron HBF-306 и Baseline 12-1122) имеют ограниченный потенциал для точного измерения ЖМТ%, когда DXA используется в качестве критериальной меры [17], однако данное заявление применимо не только к приведенным приборам, оно справедливо для всех аппаратов БИА.

В практическом смысле полученные результаты можно применять при выборе аппарата БИА, оценивающего ЖМТ% у спортсменов и физически активных людей. Согласно коэффициенту конкордации корреляции Лина взаимосвязь между оценкой ЖМТ% с помощью DXA и аппаратами БИА, согласованность составила (в порядке убывания): "Медасс" АВС-01, Picooc Mini, Scarlett SC-216, Tanita BC, "Диамант АИСТ".

Интересным наблюдением является то, что смещение Бланда-Альтмана было наименьшим для более простых устройств "нога-нога", таких как Tanita BC-718, Scarlett SC-216 и Picooc Mini. Это может быть связано с выборкой, имеющей нормальный ИМТ без скрытого ожирения.

В литературе также были обнаружены умеренные корреляции между БИА (Tanita BC-418) и DXA [18], однако эти результаты не обязательно означают, что между методами существует хорошее согласие. В отличие от этих данных, в настоящем исследовании были выявлены существенные различия между методами, что приводит к переоценке ЖМТ (при использовании аппаратов БИА "Медасс" АВС-01 и "Диамант АИСТ") у лиц с нормальным ИМТ и процентом жировой ткани.

Заключение

Оценка состава тела является неотъемлемой частью спортивной подготовки и контроля здоровья населения. Метаанализы 2022 и 2023 гг. [19, 20] показали, что методы и средства оценки состава тела влияют на получаемые показатели, которые трудно в дальнейшем интерпретировать специалистам.

Основные результаты настоящего исследования показывают, что ни один прибор БИА, вошедший в данную работу, не имеет согласованности с DXA, несмотря на умеренную и заметную корреляцию между результатами измерения. Ни с одним устройством не выявлено хорошей согласованности по коэффициенту корреляции конкордации Лина и коэффициенту Бланда-Альтмана, а смещение, оцененное при помощи метода Бланда-Альтмана, колебалось от умеренного (для весов Tanita BC-718, Scarlett SC-216 и Picooc Mini) до значительного (для аппаратов "Медасс" ABC-01 и "Диамант АИСТ").

На основании полученных результатов было выявлено, что такие приборы, как "Медасс" АВС-01 и "Диамант АИСТ", имели тенденцию к завышению уровня ЖМТ% в сравнении с результатами, полученными при помощи DXA. Весы с функцией оценки состава тела (Scarlett SC-216 и Tanita BC-718), наоборот, показывали более низкие значения ЖМТ%, в сравнении с DXA, что также необходимо учитывать при использовании данных приборов.

Точность измерения ЖМТ становится критически важной, когда речь заходит о таких вопросах, как диагностика ожирения или контроль состава тела спортсменов. Например, футбол является одним из первых видов спорта, в котором была введена культура состава тела и контроль процентного содержания жира. Неточные измерения могут привести к тому, что игрок пропустит игру, однако по результатам текущего исследования встает вопрос о том, каким методом измерения ЖМТ приемлемо пользоваться, если результаты измерения различными приборами будут значительно отличаться. Исходя из этого требуется больше качественных исследований в данной области, позволяющих выявить наиболее приемлемый метод для оценки ЖМТ.

Необходимо учитывать, что все коммерческие аппараты для БИА имеют ограничения в точности измерения ЖМТ%, что может повлиять на интерпретацию результатов измерений.

Литература

1. Silveira E.A., Barbosa L.S., Rodrigues A.P.S., Noll M., De Oliveira C. Body fat percentage assessment by skinfold equation, bioimpedance and densitometry in older adults // Arch. Public Health. 2020. Vol. 78. P. 65. DOI: https://doi.org/10.1186/s13690-020-00449-4

2. Benito P.J., Gómez-Candela C., Cabañas M.D., Szendrei B., Castro E.A. Comparison between different methods for measuring body fat after a weight loss program // Rev. Bras. Med. Esporte. 2019. Vol. 25. P. 474-479. DOI: https://doi.org/10.1590/1517-869220192506149743

3. Achamrah N., Colange G., Delay J., Rimbert A., Folope V., Petit A. et al. Comparison of body composition assessment by DXA and BIA according to the body mass index: a retrospective study on 3655 measures // PLoS One. 2018. Vol. 13, N 7. Article ID e0200465. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0200465

4. Ackland T.R., Lohman T.G., Sundgot-Borgen J., Maughan R.J., Meyer N.L., Stewart A.D. et al. Current status of body composition assessment in sport // Sports Med. 2012. Vol. 42, N 3. P. 227-249. DOI: https://doi.org/10.2165/11597140-000000000-00000

5. Meier N.F., Bai Y., Wang C., Lee D.C. Validation of a multielectrode bioelectrical impedance analyzer with a dual-energy x-ray absorptiometer for the assessment of body composition in older adults // J. Aging Phys. Act. 2020. Vol. 28. P. 598-604. DOI: https://doi.org/10.1123/japa.2019-0211

6. Lee S.Y., Ahn S., Kim Y.J., Ji M.J., Kim K.M., Choi S.H. et al. Comparison between dual-energy x-ray absorptiometry and bioelectrical impedance analyses for accuracy in measuring whole body muscle mass and appendicular skeletal muscle mass // Nutrients. 2018. Vol. 10. P. 738. DOI: https://doi.org/10.3390/nu10060738

7. Wingo B.C., Barry V.G., Ellis A.C., Gower B.A. Comparison of segmental body composition estimated by bioelectrical impedance analysis and dual-energy X-ray absorptiometry // Clin. Nutr. ESPEN. 2018. Vol. 28. P. 141-147. DOI: https://doi.org/10.1016/j.clnesp.2018.08.013

8. Ward L.C., Müller M.J. Bioelectrical impedance analysis // Eur. J. Clin. Nutr. 2013. Vol. 67, suppl. 1. P. S1. DOI: https://doi.org/10.1038/ejcn.2012.148

9. Harriss D.J., MacSween A., Atkinson G. Ethical standards in sport and exercise science research: 2020 update // Int. J. Sports Med. 2019. Vol. 40. P. 813-817. DOI: https://doi.org/10.1055/a-1015-3123

10. Obesity: preventing and managing the global epidemic. Report of a WHO consultation // World Health Organ. Tech. Rep. Ser. 2000. Vol. 894. Р. 1-253, i-xii. PMID: 11234459.

11. Руднев С.Г., Соболева Н.П., Стерликов С.А., Николаев Д.В., Старунова О.А., Черных С.П. и др. Биоимпедансное исследование состава тела населения России. Москва : Центральный научно-исследовательский институт организации и информатизации здравоохранения, 2014. 493 с. ISBN: 5-94116-018-6.

12. Loucks A.B., Kiens B., Wright H.H. Energy availability in athletes // J. Sports Sci. 2011. Vol. 29, suppl. 1. Р. S7-S15. DOI: https://doi.org/10.1080/02640414.2011.588958

13. Mountjoy M., Sundgot-Borgen J., Burke L., Carter S., Constantini N., Lebrun C. et al. The IOC consensus statement: beyond the Female Athlete Triad - Relative Energy Deficiency in Sport (RED-S) // Br. J. Sports Med. 2014. Vol. 48, N 7. Р. 491-497. DOI: https://doi.org/10.1136/bjsports-2014-093502

14. Брель Ю.И., Медведева Г.А. Особенности показателей функционального состояния организма и композиционного состава тела у спортсменов с дефицитом жировой массы // Проблемы здоровья и экологии. 2022. Т. 19, № 3. С. 73-78. DOI: https://doi.org/10.51523/2708-6011.2022-19-3-10

15. Holmes C.J., Racette S.B. The utility of body composition assessment in nutrition and clinical practice: an overview of current methodology // Nutrients. 2021. Vol. 13, N 8. Р. 2493. DOI: https://doi.org/10.3390/nu13082493

16. Potter A.W., Nindl L.J., Soto L.D., Pazmino A., Looney D.P., Tharion W.J. et al. High precision but systematic offset in a standing bioelectrical impedance analysis (BIA) compared with dual-energy X-ray absorptiometry (DXA) // BMJ Nutr. Prev. Health. 2022. Vol. 5, N 2. P. 254-262. DOI: https://doi.org/10.1136/bmjnph-2022-000512

17. Rockamann R.A., Dalton E.K., Arabas J.L., Jorn L., Mayhew J.L. Validity of arm-to-arm BIA devices compared to DXA for estimating % fat in college men and women // Int. J. Exerc. Sci. 2017. Vol. 10, N 7. P. 977-988. DOI: https://doi.org/10.1249/01.mss.0000495338.91690.a4

18. Dimitrijevic M., Paunovic V., Zivkovic V., Bolevich S., Jakovljevic V. Body fat evaluation in male athletes from combat sports by comparing anthropometric, bioimpedance, and dual-energy X-ray absorptiometry measurements // Biomed. Res. Int. 2022. Vol. 5. Article ID 3456958. DOI: https://doi.org/10.1155/2022/3456958

19. Sansone P., Makivic B., Csapo R., Hume P., Martínez-Rodríguez A., Bauer P. Body fat of basketball players: a systematic review and meta-analysis // Sports Med. Open. 2022. Vol. 8, N 1. P. 26. DOI: https://doi.org/10.1186/s40798-022-00418-x

20. Sebastiá-Rico J., Soriano J.M., González-Gálvez N., Martínez-Sanz J.M. Body composition of male professional soccer players using different measurement methods: a systematic review and meta-analysis // Nutrients. 2023. Vol. 15, N 5. P. 1160. DOI: https://doi.org/10.3390/nu15051160

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems - including machine learning models and neural networks - is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.