Bioimpedance Spectroscopy (BIS) 분석기 비교 연구와 임상적 활용

- 8월 24, 2025

서론

최근 체성분 분석(body composition analysis) 은 임상 연구와 건강 관리 산업에서 필수적인 기술로 자리잡았다.

비만, 영양 상태, 근육량, 수분 상태를 정확히 평가하는 것은 환자의 치료 방침을 결정하고, 개인 맞춤형 건강 관리 전략을 수립하는 데 핵심적이다.

이러한 배경에서 생체전기 임피던스 분석(Bioelectrical Impedance Analysis, BIA) 및 그 확장형인 Bioimpedance Spectroscopy (BIS) 기술이 빠르게 보급되고 있다.

BIS는 다양한 주파수(5–1000 kHz)를 통해 인체 내 전류 흐름을 측정하여 세포 내수분(ICW), 세포 외수분(ECW) 및 총체수분(TBW) 을 구분할 수 있다.

이는 단일 주파수 BIA가 제공하지 못하는 정밀한 정보를 제공하며, 특히 부종(edema), 영양 상태, 신장 질환 환자 모니터링 등 임상 분야에서 가치가 크다.

이번 칼럼에서는 L.C. Ward 교수가 발표한 세 가지 BIS 분석기(Hydra 4200, SFB7, SFB3) 비교 연구를 바탕으로 기술적 성능, 정확성, 임상적 함의, 그리고 향후 발전 방향을 심층 분석한다.

본론

1. BIS 기술 개요

BIS는 인체를 전기적 회로로 모델링하여 저항(Resistance, R)과 리액턴스(Reactance, Xc)를 측정한다.

저주파(0 Hz 근사치): 전류가 세포막을 통과하지 못하므로 세포 외수분(ECW) 저항을 반영한다.
고주파(무한대 Hz 근사치): 세포막을 통과하므로 총체수분(TBW) 저항을 반영한다.
이 두 값의 차이를 통해 세포 내수분(ICW) 을 추정할 수 있다.

이러한 분석은 Cole 모델을 기반으로 하며, 데이터는 일반적으로 반원형 임피던스 곡선(Cole-Cole plot)으로 표현된다.

그림 1. Cole-Cole 모델을 통한 BIS 데이터 해석 모식도

2. 연구 개요

본 연구는 호주 퀸즐랜드 대학에서 수행되었으며, 세 가지 BIS 기기(Hydra 4200, ImpediMed SFB7, UniQuest SFB3)를 비교하였다.

대상: 성인 남녀 각 25명(총 50명)
측정 부위: 손목-발목 전신 임피던스
비교 항목: 전자회로(RRC test circuit)에서의 정확도, 인체 측정에서의 반복성 및 예측된 제지방량(Fat-Free Mass, FFM.

3. 주요 결과

3.1 기술적 성능(정확도 및 재현성)

세 기기 모두 전자회로에서 0.5% 이내 오차로 매우 정밀했다.
인체 측정에서는 변동성이 다소 커졌지만, CV < 1%로 임상 적용에 충분히 신뢰할 만한 수준이었다.
특히 최신 기기인 SFB7과 Hydra 4200은 오래된 SFB3보다 우수한 성능을 보였다.

그림 2. 세 가지 BIS 기기의 전자회로(RRC) 측정 결과 비교

3.2 인체 측정에서의 차이

R0(세포 외수분) 및 R∞(총체수분) 은 기기 간 상관성이 높았다(rc = 0.96–0.99).
그러나 Ri(세포 내수분) 은 Hydra 4200과 SFB 계열 기기 간 차이가 컸다(rc = 0.39–0.68).
이는 임상적으로 ICW 측정의 기기 의존성을 시사한다.

3.3 제지방량(FFM) 예측

FFM 예측에서 기기 간 평균 차이는 약 1.7 kg 정도였다.
이는 기존의 수분 희석법(tracer dilution) 이나 다중 구획 모델(multi-compartment model) 의 오차 범위(2–4 kg)와 유사하다.
즉, BIS는 비침습적 대안으로 충분히 임상적 가치를 가진다.

그림 3. BIS 기기를 통한 Fat-Free Mass(FFM) 예측 비교

세 가지 BIS 기기(SFB3, SFB7, Hydra 4200)로 예측된 제지방량(FFM)을 평균 ± 표준편차로 나타낸 그래프이다. 최신 기기인 SFB7과 Hydra 4200이 SFB3보다 다소 높은 값을 보이며, 기기 간 차이가 존재함을 확인할 수 있다.

4. 임상적 의미

BIS 분석기는 다음과 같은 분야에서 특히 유용하다.

영양 관리 – 암 환자, 고령 환자, 수술 후 회복 환자의 체수분 및 근육량 평가.
신장 질환 – 혈액투석 환자의 체액 과다(Fluid overload) 조기 탐지.
스포츠 의학 – 선수들의 근육량 및 체수분 변화를 추적하여 훈련 효과 검증.
비만 및 대사질환 관리 – 체지방률, 근육량을 정밀하게 분석하여 맞춤형 다이어트 및 치료 전략 수립.

5. 기기 비교 및 선택 가이드

Hydra 4200: 안정적이며 연구용으로 많이 사용됨.
SFB7: 최신 BIS 기기로 임상 및 연구 모두 적합, 정확성과 속도가 우수.
SFB3: 구형 모델로 현재는 제한적인 연구 목적에서만 사용.

결론적으로, SFB7과 Hydra 4200이 현재 임상 적용에 가장 적합하다.

6. 향후 발전 방향

AI 기반 BIS 분석: 머신러닝을 활용한 예측 모델 개선.
웨어러블 BIS 센서: 병원 외부에서도 지속적인 체성분 모니터링 가능.
다중 모달리티 융합: BIS 데이터를 MRI, CT 등 영상 데이터와 통합하여 정밀 진단.

결론

본 연구는 세 가지 BIS 기기의 성능 비교를 통해, 현대 임상에서 BIS가 신뢰할 수 있는 체성분 평가 도구임을 입증하였다. 기기 간 약간의 차이는 존재하지만, 표준화된 측정 프로토콜과 기기별 보정계수 적용을 통해 오차를 최소화할 수 있다.

따라서 BIS는 비침습적·저비용·고정밀 체성분 평가 방법으로서, 앞으로도 임상 연구와 개인 맞춤형 건강 관리에 널리 활용될 전망이다.

참고문헌

[1] B. H. Cornish, B. J. Thomas, and L. C. Ward, “Improved prediction of extracellular and total body water using impedance loci generated by multiple frequency bioelectrical impedance analysis,” Phys. Med. Biol., vol. 38, pp. 337–346, 1993.
[2] B. J. Thomas, L. C. Ward, and B. H. Cornish, “Bioimpedance spectrometry in the determination of body water compartments: accuracy and clinical significance,” Appl. Radiat. Isot., vol. 49, pp. 447–455, 1998.
[3] J. R. Matthie, “Bioimpedance measurements of human body composition: critical analysis and outlook,” Expert Rev. Med. Devices, vol. 5, no. 2, pp. 239–261, 2008.
[4] M. Y. Jaffrin and H. Morel, “Body fluid volumes measurements by impedance: a review of bioimpedance spectroscopy (BIS) and bioimpedance analysis (BIA) methods,” Med. Eng. Phys., vol. 30, pp. 1257–1269, 2008.
[5] A. De Lorenzo, A. Andreoli, J. Matthie, and P. Withers, “Predicting body cell mass with bioimpedance by using theoretical methods: a technological review,” J. Appl. Physiol., vol. 82, pp. 1542–1558, 1997.
[6] L. C. Ward, N. M. Byrne, K. Rutter, et al., “Reliability of multiple frequency bioelectrical impedance analysis: an intermachine comparison,” Am. J. Hum. Biol., vol. 9, pp. 63–72, 1997.
[7] U. G. Kyle, I. Bosaeus, A. D. De Lorenzo, et al., “Bioelectrical impedance analysis—part II: utilization in clinical practice,” Clin. Nutr., vol. 23, pp. 1440–1453, 2004.

이 블로그 검색

MediWave