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Gegenstand
der Erfindung ist eine tragbare Vorrichtung zur Bestimmung der bioelektrischen
Impedanz einer sitzenden Testperson.
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Es
sind schon zahlreiche Techniken und Vorrichtungen zur Bestimmung
der bioelektrischen Impedanz des menschlichen Körpers bekannt.
Einen ausgezeichneten Überblick über den aktuellen
Stand der bioelektrischen Impedanzanalyse bieten zwei Review-Artikel
von Kyle et al. in Clinical Nutrition (2004) 23, 1226–1243
und 1430–1453. Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen
dienen dazu, die verschiedenen Bestandteile des menschlichen oder tierischen
Körpers wie Körperfett (FM), fettfreie Masse (FFM;
Magermasse), Körperzellmasse (BCM „body cell mass”)
und extrazelluläre Masse (ECM „extracellular mass”)
zu messen.
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Die
bioelektrische Impedanzanalyse (BIA) ist eine Methode zur Messung
der Körperzusammensetzung durch Messung des elektrischen
Widerstandes (Impedanz) des menschlichen Körpers. Die BIA wurde
in den 70er Jahren entwickelt und ist inzwischen in allen Industrieländern
weit verbreitet. Die Methode kommt im medizinischen Bereich vor
allem in der Ernährungsmedizin und den angrenzenden Gebieten
zur Anwendung. Sie ist aber auch, in technisch einfacher Form, als
so genannte „Fettwaage” in vielen Verbraucher-Haushalten
anzutreffen.
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Bei
der klassischen, in den 70er Jahren entwickelten BIA-Messung wird
das BIA-Gerät über ein Kabel mit vier Kontaktflächen
(EKG-Elektroden) mit der liegenden Testperson verbunden. Dabei werden je
zwei Elektroden an einer Hand und an einem Fuß der Testperson
befestigt. Mittels der zwei distalen (vom Körperzentrum
entfernt gelegenen) Kontaktflächen erzeugt das BIA-Gerät
ein schwaches Wechselstromfeld (ca. 0,8 mA bei Frequenzen von 1–500 kHz,
meist bei 50 kHz). Über die zwei proximalen (zum Körperzentrum
hin gelegenen) Kontaktflächen misst das BIA-Gerät
den elektrischen Widerstand (Impedanz) der Testperson.
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Der
Strom breitet sich bei der BIA-Messung vorwiegend über
das Körperwasser und die Muskulatur aus. Körperfett
hingegen wirkt als Isolator für den Messstrom. Es können
folgende elektrische Widerstands-Parameter gemessen werden:
- 1. Der elektrische Gesamtwiderstand des Körpers,
genannt Impedanz (Z)
- 2. Der Ohmsche oder Wasserwiderstand, genannt Resistanz (R;
resistance)
- 3. Der Kondensator- oder kapazitive Widerstand, genannt Recktanz
(Xc; reactance)
- 4. Die Bogentangente des Reaktanzüberwiderstandes,
genannt Phasenwinkel
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In
intakten biologischen Geweben ist die Resistanz in den fettfreien
Geweben mit einem hohen Wassergehalt und einer hohen Elektrolytkonzentration
niedriger als in Geweben mit einem hohen Gehalt an Fett und Knochen.
Die Recktanz ist ein Maß für die Zellmembran-Kapazitanz
und kann als Maß für die Körperzellmasse
(Body Cell Mass, BCM) dienen. Das Verhältnis von Resistanz
zu Recktanz wird über den Phasenwinkel phi ausgedrückt.
Phasenwinkel ist eine generelle Maßzahl für den
Ernährungszustand auf Zellebene. Hoher Phasenwinkel ist
meist ein Hinweis auf guten Ernährungs- oder Trainingszustand, während
ein niedriger Phasenwinkel einen Mangel des Ernährungs-
oder Trainingszustands anzeigt.
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Unter
Verwendung der drei Parameter Resistanz (R), Recktanz (Xc) und Phasenwinkel
sowie weiterer Daten der Testperson wie Größe,
Gewicht, Geschlecht und Alter kann die Körperzusammensetzung
errechnet werden. Dazu gehören der Anteil an Wasser, die
fettfreie Masse (FFM), das Körperfett und die Körperzellmasse
(Muskel- und Organzellmasse, BCM).
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Das
Messverfahren der bioelektrischen Impedanzanalyse bietet die Grundlage
für differentialdiagnostische Entscheidungen und gezielte
Therapieansätze in der Intensivmedizin ebenso wie bei der Behandlung
von Adipositas, Ess-Störungen, Darmerkrankungen, Diabetes
oder der Tumorkachexie. Die BIA macht die Auswirkungen von Übergewicht
auf die Körperzusammensetzung in anschaulicher, objektiver
und unbestechlicher Weise sichtbar. Bei Menschen, die an Diabetes
oder die metabolischen Erkrankungen leiden, können Auswirkungen
von Diätfehlern mittels BIA aufgedeckt und die Compliance erhöht
werden. Bei Dialysepatienten und bei Menschen, die an chronischen
Nierenerkrankungen leiden, misst die BIA sowohl Überwässerung
als auch chronischen Zellverlust. Mittels BIA kann der Abbauprozess
von Körperzellmasse bzw. Muskelmasse frühzeitig
erkannt werden, und zwar oft noch bevor ein Gewichtsverlust deutlich
wird. Im Zusammenhang mit chronischen Darmerkrankungen erlaubt die BIA
eine Differenzierung zwischen Durchfall-bedingten Gewichtsschwankungen
und dem Abbau der BCM (Muskelabbau).
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Auch
außerhalb der Medizin gewinnt die BIA zunehmend an Bedeutung.
Das gilt vor allem für die Bereiche Sport und Fitness,
bei denen die Änderung der Körperzusammensetzung
durch Training und Diät eine zentrale Rolle spielt. Die
BIA ermöglicht eine Differenzierung zwischen Fettabbau
und Wasserverlusten bzw. Muskelabbau und hilft somit bei der Überwachung
des Diätverlaufs. Aufgrund der Möglichkeiten zur
Analyse von Gewichtsschwankungen eignet sich BIA in idealer Weise
zum Monitoring im Zusammenhang mit einer Ernährungsberatung.
Beispielsweise kann der sich verändernde Zellaufbau im Verlauf
eines Trainingsprogramms mittels BIA bestimmt und anhand von Vektorgrafen
anschaulich dargestellt werden.
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Aus
dem
US Patent 4,911,175 ist
eine klassische BIA-Messmethode bekannt, wobei zwei Paar Elektroden,
jeweils eine Sensorelektrode und eine Stromelektrode enthaltend,
auf die dorsale Oberfläche der Hand bzw. auf die dorsale
Oberfläche des Fußes gesetzt werden. Dann wird
ein Erregungsstrom von der einen Stromelektrode durch den Körper
zur zweiten Stromelektrode geleitet und mittels der zwei Sensorelektroden
wird der Spannungsabfall gemessen. Ein Widerstandsanalysator ermittelt
den Widerstand und die Recktanz des ganzen Körpers sowie
den Phasenwinkel. Die gemessenen Werte werden anschließend
auf einer Anzeige dargestellt. Diese klassische Messmethode hat
den Nachteil, dass sie nicht so einfach durchzuführen ist.
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Die
im
US Patent 6,369,337
B1 beschriebene Erfindung besteht aus einer waageartigen
Plattform, wobei ein Teil der Plattform zum Messen des Körpergewichts
der zu untersuchenden Person dient. Außerdem enthält
die Plattform einen Elektrodenteil sowie einen Impedanzmessteil.
Der Elektrodenteil beinhaltet mindestens ein Paar Elektroden, die
in Kontakt mit den Fußsohlen der Person gebracht werden.
Der Impedanzmessteil misst den Widerstand. Messungen im Stehen können
insbesondere bei Veneninsuffizienz oder niedrigem Blutdruck zu abweichenden
Messergebnissen führen.
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Das
europäische Patent
EP
1,092,389 B1 offenbart ein BIA-Messgerät mit einem
teilweise zylindrisch geformten Handgriff. Der Handgriff ist mit
einer Stromelektrode und einer die Spannung messenden Elektrode
versehen, die parallel zur Achse des Handgriffs angeordnet und durch
den vorbestimmten Abstand voneinander getrennt sind. Wie bei den
anderen Messungsmethoden ist die Verwendung von langen Kabeln unbequem.
Der Gesamtabstand (z. B., zwei Armlängen plus die Stammbreite)
von einem vorgewählten Körperteil (eine Hand)
zum anderen (die andere Hand) schwankt erheblich von Person zu Person
und folglich können genaue Maße kaum erwartet
werden. Außerdem verändert der Druck, der durch
das Ergreifen des Handgriffs entsteht, die Testdaten, weil sich
die Muskelspannung der Hand beim Ergreifen einer Messvorrichtung
auf die Blutfüllung der Hand auswirkt, damit auf die gemessene
Resistanz R und Reactanz Xc, und dadurch auf die daraus abgeleiteten
Parameter Körperwasser, Magermasse, Fettfreie Masse und
die abgeleitete Bestimmung der BCM.
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Das
europäische Patent
EP
1,138,259 B1 beschreibt ein kompaktes BIA-Messgerät
mit einem Gehäuse, wobei das Gehäuse eine Kontaktoberfläche
aufweist, die auf einen gewählten Körperbereich aufgebracht
werden kann. Das Gehäuse ist mit mindestens einem Paar
Stromelektroden, einem Paar Spannungselektroden, einer Wechselstromzuführvorrichtung,
einer Spannungmessvorrichtung und einer Recheneinheit versehen.
Das erste Paar von Spannungselektroden ist so auf der Kontaktoberfläche
zwischen dem Paar von Stromelektroden angeordnet, dass der gewählte
Körperbereich in Kontakt mit den Stromelektroden und den
Spannungselektroden gebracht werden kann. Die beschriebene Messvorrichtung
ist aber nur geeignet, um die bioelektrische Impedanz zwischen zwei
ausgewählten Punkten im Unterarm einer zu untersuchenden
Person zu messen. Deshalb können keine Informationen über die
Körperzusammensetzung der Person gesammelt werden.
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Es
ergab sich somit die Aufgabe, ein Gerät für genaue,
wiederholbare Messungen der bioelektrischen Impedanz einer sitzenden
Testperson bereitzustellen, das tragbar und einfach zu bedienen
sowie möglichst angenehm in der Anwendung für
den Benutzer ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine tragbare Vorrichtung zur Bestimmung der
bioelektrischen Impedanz einer sitzenden Testperson gelöst,
wobei diese Vorrichtung:
- – eine Stromquelle
zur Zuführung eines Messstroms in den Körper der
Testperson und
- – ein Messgerät zur Messung des Widerstands des
menschlichen Körpers,
aufweist, und das Messgerät
mindestens die folgenden Komponenten enthält: - – eine Grundfläche,
- – zwei Handauflageflächen, die gegenüber
die Grundfläche erhöht sind, wobei im obersten
Teil von jeder Handauflagefläche eine körperferne Kontaktoberfläche
aufweist, die als eine Spannungselektrode dient,
- – zwei körpernahe Kontaktoberflächen,
die sich auf einer erhöhten Position am Rand des Messgeräts
befinden, wobei jede der zwei körpernahen Kontaktoberflächen
als eine Widerstandselektrode dient.
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Eine
Vertiefung besteht jeweils zwischen einer der zwei Handauflageflächen
und der zugehörigen körpernahen Kontaktfläche.
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Ein
schwacher Wechselstrom wird über die zwei Spannungselektroden
in den Körper der Testperson eingeleitet, wobei eine Frequenz
von 50 kHz und eine Stromstärke von 0,8 mA verwendet werden. Über
die zwei Widerstandselektroden wird der elektrische Widerstand (Impedanz)
der Testperson gemessen.
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Ein
Vorteil bei der Benutzung des Geräts ist, dass die Messung
vorzugsweise im Sitzen an einem Tisch durchgeführt wird.
Dabei sollen die Ellenbogen und die Unterarme der Testperson auf
dem Tisch aufliegen. Die Testperson sollte entspannt auf einem Stuhl
sitzen. Zwischen dem Hinsetzen und dem Beginn der eigentlichen Messung
sollte man eine Minute warten, damit sich das Blut hydrostatisch
in dieser Position im Körper verteilen kann. Das entspannte Sitzen
und die Auflage der Unterarme auf dem Tisch sind eine wichtige Voraussetzung
für genaue, wiederholbare Messungen, da Körperhaltung
und Verteilung des Blutvolumens im Körper auf diese Weise
bei jeder Messung standardisiert werden. Die Standardisierung der
Körperlage und Körperhaltung ist bei BIA-Messungen
von großer Bedeutung.
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Die
Besonderheiten einer locker aufgelegten Hand werden bei einer bevorzugten
Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen
Vorrichtung deutlich: bei einer locker aufgelegten Hand befinden
sich die Grundgelenke von Zeige- und Mittelfinger einige Zentimeter über
dem Untergrund, und es ist zwischen den Handballen und dem Unterarm
im Bereich der Handwurzelknochen eine Rinne vorhanden, welche ebenfalls
nicht auf dem Untergrund aufliegt. Um aus den anatomischen Besonderheiten
einer locker aufgelegten Hand einen optimalen Kontakt zum Gerät
herzustellen, sind die zwei Handauflageflächen so geformt,
dass die menschlichen Hände locker auf diesen Handauflageflächen
aufliegen können, wobei die Bereiche der Grundgelenke von
Zeige- und Mittelfinger Kontakt mit den körperfernen Kontaktoberflächen
und die Rinne Kontakt mit den körpernahen Kontaktoberflächen
haben. Da der Kontakt zu den Kontaktoberflächen ausschließlich
durch das Eigengewicht der Unterarme und Hände hergestellt
wird, wird die Messgenauigkeit in entscheidendem Maße verbessert.
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Ferner
ist es von Vorteil, wenn die körperfernen Kontaktoberflächen
gegenüber den körpernahen Kontaktoberflächen
deutlich erhöht platziert sind.
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Die
Vorrichtung weist zwei körperferne Kontaktoberflächen
und zwei körpernahe Kontaktoberflächen auf, die
aus Metall bestehen. Die zwei körperfernen Kontaktoberflächen
und die zwei körpernahen Kontaktoberflächen sind
so angeordnet, dass sie die Ecken eines Trapezes bilden. Die körpernahen
Kontaktoberflächen besetzen dabei die Endpunkte der längeren
Grundseite des Trapezes (Basis), die bei der Benutzung der Apparatur
näher beim Benutzer liegt. Die körperfernen Kontaktoberflächen
besetzen die weiter vom Benutzer entfernte, kürzere Grundseite
des Trapezes. Die beiden Geraden, die von den Schenkeln des Trapezes
definiert werden, schneiden sich bevorzugt unter einem Winkel von
20° bis 30°, damit während der Messung
eine entspannte Haltung der beiden Hände der zu untersuchenden
Person gewährleistet ist.
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Die
zuvor erwähnten Eigenschaften des erfindungsgemäßen
Messgerätes sind in den folgenden zwei unterschiedlichen
Designvarianten realisiert. Zum einem sind die Handauflageflächen
des Messgerätes durch Computermausähnliche Auflageflächen
ergonomisch so gestaltet, dass eine standardisierte, stets gleiche
Positionierung der Hände auf dem Messgerät und
damit auf den Kontaktoberflächen gewährleistet
wird. Zum zweiten können die Handauflageflächen
des Messgerätes durch eine wellenförmige Auflagefläche
ergonomisch so gestaltet sein, dass eine standardisierte, stets
gleiche Positionierung der Hände auf dem Messgerät
und damit auf den Kontaktoberflächen gewährleistet
wird.
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Das
Gerät misst die Impedanz des Körpers zwischen
den beiden Händen und gibt diese Messwerte zur weiteren
Berechnung der Körperzusammensetzung an ein spezielles
Computerprogramm weiter, welches aus diesen Werten die Körperzusammensetzung
(Körperwasser, Fettmasse, Magermasse, u. a.) berechnet.
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Ein
Verfahren zur Bestimmung der bioelektrischen Impedanz des menschlichen
Körpers unter der Verwendung des Impedanzmessgerätes
weist die folgenden Schritte auf:
- – Auflegung
der beiden Hände der Testperson auf das BIA Messgerät;
- – Einleiten eines Wechselstromes über die
Elektroden in den Körper;
- – Messen der Körperimpedanz zwischen den beiden
Händen der Testperson, und
- – Weiterleitung der Messwerte zur weiteren Berechnung
der Körperzusammensetzung an ein spezielles Computerprogramm.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten des erfindungsgemäßen
Gebrauchs ergeben sich aus dem anhand der Zeichnungen beschriebenen
und die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel.
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1.
Darstellung des Messgerätes bei der Anwendung,
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2.
Designvariante mit Auflageflächen in Form einer Computermaus
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3.
Designvariante mit Auflageflächen in Wellenform
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4.
Darstellung der Messdurchführung
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1 ist
eine Darstellung des Messgerätes bei der Anwendung und
zeigt auch die Anatomie einer menschlichen Hand. Das Messgerät
weist eine Grundfläche 11, zwei Handauflageflächen 9 (nur
eine davon ist gezeigt), zwei metallische körperferne Kontaktoberflächen 8 (nur
eine davon ist gezeigt) und zwei metallische körpernahe
Kontaktoberflächen 7
(nur eine davon ist gezeigt)
auf. Die Handauflageflächen 9 sind gegenüber
der Grundfläche erhöht und die körpernahen
Kontaktoberflächen 7 befinden sich auf einer erhöhten
Position am Rand des Messgeräts. Dadurch besteht jeweils
eine Vertiefung 2 zwischen einer der zwei körpernahen
Kontaktoberflächen und der zugehörigen körperfernen
Kontaktfläche. Eine menschliche Hand weist die folgenden Merkmale
auf: Ulnarköpfchen 1, Daumenmittelgelenk 3,
Fingergrundgelenke 4, Fingermittelgelenke 5, Fingerendgelenke 6 und
Rinne 10. Eine menschliche Hand kann locker auf der Handauflagefläche 9 des Messgerätes
aufliegen, wobei die Grundgelenke von Zeige- und Mittelfinger 4 Kontakt
mit der körperfernen Kontaktfläche 8,
der Thenar auf der Daumenseite (Daumenballen) und der in der Abbildung
nicht gezeigten Hypothenar auf der Seite des kleinen Fingers (Kleinfingerballen)
Kontakt mit der Vertiefung 2 und die Rinne 10 Kontakt
mit einer körpernahen Kontaktfläche 7 haben.
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2 und 3 zeigen
zwei Designvarianten, wobei die zwei Handauflageflächen 9,
gemäß 2, durch Computermaus-ähnliche
Auflageflächen gestaltet sind, während die Handauflagefläche 8,
gemäß 3, durch eine wellenförmige
Auflagefläche geformt sind. Die zwei körperfernen
Kontaktoberflächen 8 und die zwei körpernahen
Kontaktoberflächen 7 sind so angeordnet, dass
sie die Ecken eines gleichschenkligen Trapezes bilden, wobei die zwei
körperfernen Kontaktoberflächen 8 die
Endpunkte der kürzeren Grundseite 88 des Trapezes
besetzen und die zwei körpernahen Kontaktoberflächen 7 die
Endpunkte der längeren Grundseite 77 des Trapezes
besetzen.
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4 stellt
die Durchführung einer Messung bei einer sitzenden Testperson 12 dar,
wobei der Patient 12 locker und entspannt sitzt, seine
Ellenbogen 13 und seine Unterarme 14 auf dem Tisch
aufliegen und seine Handgelenke und Hände 15 auf
dem Meßgerät 16 aufliegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ulnarköpfchen
- 2
- Vertiefung
für Thenar und Hypothenar
- 3
- Daumenmittelgelenk
- 4
- Fingergrundgelenke
- 5
- Fingermittelgelenke
- 6
- Fingerendgelenke
- 7
- körpernahe
Kontaktflächen
- 8
- körperferne
Kontaktflächen
- 9
- Handauflageflächen
- 10
- Rinne
in der seitlichen Aussicht des Handgelenks
- 11
- Grundfläche
des Messgerätes
- 77
- längere
Grundseite eines Trapezes
- 88
- kürzere
Grundseite eines Trapezes
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4911175 [0010]
- - US 6369337 B1 [0011]
- - EP 1092389 B1 [0012]
- - EP 1138259 B1 [0013]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Kyle et al.
in Clinical Nutrition (2004) 23, 1226–1243 und 1430–1453 [0002]
