Биоимпедансный анализ для «чайников». Как смарт-часы и весы научились определять состав тела?

С выходом Samsung Galaxy Watch 4 биоимпедансный анализ стал доступен огромному количеству пользователей. Если раньше нужно было покупать специальные весы, то теперь узнать процент жира в организме можно прямо с наручных часов!

Конечно же, такая функция от столь крупного игрока не останется без внимания конкурентов. А значит, её появление на других смарт-часах и фитнес-браслетах — лишь вопрос времени.

Но биоимпедансный анализ, особенно в домашних условиях, до сих пор вызывает у многих людей сомнения и вопросы.

Кто-то не понимает, каким образом весы (а теперь уже и смарт-часы) могут определить массу жировой ткани. Другие с насмешкой относятся к этому инструменту, так как считают, что весь биоимпедансный анализ «ломается» при столкновении с первой же преградой — нашей кожей.

Посудите сами. Смысл биоимпедансного анализа заключается в том, чтобы измерить электрическое сопротивление тела и на его основе определить количество жира в организме. Но проблема в том, что сопротивление человеческого тела — вещь очень относительная.

Кожа, особенно её внешний (роговой) слой, прекрасно защищает организм от электрического тока. Сопротивление кожи невероятно велико — десятки и даже сотни тысяч Ом. К тому же, это сопротивление постоянно изменяется. Намочили руку, вспотели или температура кожи поднялась на несколько градусов — сопротивление тут же изменилось на треть!

С другой стороны, сопротивление внутренних тканей (именно оно важно для биоимпедансного анализа) зачастую не превышает 500 Ом. А это менее 1% от сопротивления кожи!

Как же в таком случае весы или смарт-часы могут определить изменение сопротивления внутренних тканей, скажем, на 30 Ом, если сопротивление кожи может измениться на 30000 Ом только из-за того, что вы немножко намочили ноги/руки перед измерением?

Получается, состояние кожи влияет на сопротивление тела на порядки сильнее, чем процент жира в организме.

Но как тогда объяснить следующее: если мы возьмем часы Galaxy Watch 4 или весы Huawei Scale 3 и дважды измерим процент жира, причем первый раз с сухой кожей, а второй — намочив её, то мы не увидим практически никакой разницы? Хотя общее сопротивление тела из-за мокрой кожи значительно снизится.

Почему так происходит? Как вообще работает биоимпедансный анализ и каким образом даже умные часы могут определять количество воды, жира и мышц в организме?

Если состояние кожи не влияет на результат, откуда тогда берётся неточность биоимпедансного анализа?

Обо всём этом и многом другом мы поговорим дальше. В качестве наглядного примера я буду использовать новые Galaxy Watch 4, а в качестве референсного устройства — умные весы Huawei Smart Scale 3.

Что такое биоимпедансный анализ простыми словами?

Еще в 1969 году Хоффер и ряд других исследователей доказали, что электрическое сопротивление организма напрямую зависит от количества воды в нём. И это вполне логично, если понимать, что такое сопротивление.

Как мы уже много раз говорили на страницах Deep-Review, ток — это движение заряженных частиц, направленное в одну сторону.

К примеру, в куске провода есть масса свободных электронов, которые легко отрываются от своих атомов и медленно «ползают» по металлу в разных направлениях. Вы можете безопасно взять такой провод в руку и он не ударит током. Ведь для возникновения тока все эти электроны должны поползти в одну сторону.

Когда мы подключаем к проводу напряжение (невидимую силу, толкающую заряженные частицы), все электроны начинают двигаться в одну сторону. И в этот момент в проводе возникает ток:

Ровно то же происходит и с нашим телом. Только здесь движутся не электроны, а различные химические элементы, растворенные в крови и обладающие зарядом (их называют ионами). В основном это натрий, калий и хлор.

Логично предположить, что движение электронов или ионов может замедляться. Они банально могут сталкиваться с другими атомами или химическими элементами. Также они могут замедлять движение, теряя свою энергию, которая переходит в тепло.

Электрическое сопротивление и показывает, как сильно какой-то материал препятствует движению тока. Чем выше сопротивление, тем труднее электронам или ионам свободно передвигаться.

Есть материалы, в которых вообще нет движения электронов. Они называются изоляторами. Нужна огромная энергия, чтобы заставить электроны в таких атомах «спрыгнуть» со своих орбиталей и уйти в свободное плавание.

Как движется ток внутри тела?

Если мы заглянем внутрь нашего тела, то увидим, что оно состоит из мышц, жировой ткани, различных органов, костей и большого количества жидкости (крови, лимфы, тканевой жидкости).

Несложно догадаться, что ток будет по-разному протекать внутри тела.

Ток всегда проходит по пути наименьшего сопротивления. Если в организме есть кровь (по сути — это вода с растворенными в ней химическими элементами), ток никогда не будет пытаться пробиться сквозь кости или жир. Он свободно потечёт по мышцам и сосудам.

А теперь представьте, что перед нами два человека. Первый — полностью здоров, а второй страдает ожирением. Можем ли мы это определить по электрическому сопротивлению их тел?

Проведем простой эксперимент!

Берём двух человек, прокалываем им кожу, чтобы она не влияла на результаты измерений, и вставляем провода с мультиметром (прибором для измерения напряжения, тока и сопротивления). Пускаем ток и смотрим, как сильно их внутренние ткани сопротивляются движению этого тока.

Мы заранее знали точное количество тока, которое пропускали через каждое тело. Также мы измерили сопротивление двух тел. Предположим, что оно оказалось идентичным в двух случаях, из чего мы делаем простой вывод — количество жидкости в телах испытуемых одинаково.

Теперь узнаем вес каждого человека. Пусть первый весит 65 кг, второй — 95 кг. Но так как наше измерение сопротивления показало идентичное количество жидкости, мы понимаем, что разница в 30 кг — это не дополнительные мышцы. Ведь мышцы на 80% состоят из воды и в этом случае сопротивление более тяжелого человека оказалось бы гораздо ниже. Больше мышц — больше жидкости, а больше жидкости — ниже сопротивление.

Важно понимать, что процент жидкости в различных тканях известен и он не сильно варьируется от человека к человеку. Поэтому несложно догадаться, что именно содержится в дополнительных 30 килограммах второго человека. Из этого делаем логичный вывод: у второго человека — «широкая кость», то есть, ожирение.

Это и есть общий принцип биоимпедансного анализа. Если с этим всё понятно, тогда немножко углубимся в тему.

Как умные весы и смарт-часы на самом деле измеряют процент жира в организме?

Если вы почитаете любую статью об умных весах на более-менее серьезном и посещаемом ресурсе, то обязательно в комментариях встретите главный вопрос касательно биоимпедансного анализа.

В нашем мысленном эксперименте мы вставляли провода с током прямо внутрь тела, чтобы обойти кожу, которая оказывает колоссальное (несравнимое с внутренними тканями) сопротивление току.

Однако в реальной жизни никто не прокалывает кожу электродами. Мы просто прикладываем палец к кнопке часов или встаем на весы и происходит измерение.

Как же эти устройства научились пробираться сквозь кожу и почему её состояние практически не имеет никакого значения?

Чтобы ответить на этот вопрос, придется на минутку отвлечься на более фундаментальные вопросы.

Электричество для «чайников» за 2 минуты

Если бы мы измеряли сопротивление тела только двумя кнопками на часах или двумя контактными площадками на весах, сопротивление кожи уничтожило бы весь смысл измерений.

Имея только два электрода (два провода или две контактные площадки на устройстве), нам бы пришлось измерять сопротивление по такой схеме:

То есть, мы бы подключили один провод («плюс») с одной стороны тела, а «минус» — с другой. Конечно, наше тело имеет не две стороны, его форма гораздо сложнее цилиндра. Но об этом поговорим чуть позже.

Именно так работает типичный мультиметр с двумя проводами (электродами), который каждый из вас наверняка видел не раз:

Когда у нас есть источник тока (например, батарейка внутри устройства) и мы подключаем его проводами к какому-то предмету, этот источник начинает с силой толкать электроны. Электроны под действием этой силы начинают двигаться вперед. Так возникает ток. Толкающая сила — это и есть напряжение.

Но когда ток входит в предмет, он сталкивается с различными препятствиями. Это как прохождение паспортного контроля. На входе собирается толпа людей, так как пройти к стойке контроля гораздо проще и быстрее, чем пройти сам контроль и выйти с другой стороны.

Так и с электричеством. На входе в предмет собирается множество электронов, а на выходе — мало. Ведь подойти к предмету по идеальному проводу гораздо проще и быстрее, чем пробраться сквозь этот предмет из-за его внутреннего сопротивления:

Но когда с одной стороны предмета собирается много электронов, а с другой — мало, мы получаем «разницу напряжений». Там где электронов собралось очень много, возникла большая сила, отталкивающая эти электроны, а там где их мало — низкое напряжение.

И если мы подключим к разным сторонам предмета мультиметр, он покажет, насколько сильно падает напряжение на двух концах предмета:

Вот и всё, что нам нужно знать для определения сопротивления. Мы измерили падение напряжения и знаем, какое количество тока проходит через предмет. Посчитать сопротивление можно по элементарной формуле:

Сопротивление = Напряжение / Ток

Теперь вернемся к телу. Если бы мы использовали такой же мультиметр и подали напряжение на два электрода, ток столкнулся бы с кожей, из-за чего возникло бы большое падение напряжения, так как кожа оказывает огромное электрическое сопротивление.

И уже не важно, какое сопротивление внутри тела, ведь наш прибор и так показывает колоссальное сопротивление из-за кожи. Весь процесс испорчен.

Мы можем смочить кожу и её сопротивление резко снизится. В результате прибор покажет совершенно другое значение, так как падение напряжения будет гораздо ниже. Но снижение сопротивления было вызвано изменением состояния кожи, а не количеством жидкости в организме.

Разумеется, это никуда не годится. Сопротивление должно меняться только из-за объема воды в организме, а не из-за состояния кожи.

Если мы вообще не исключим кожу из расчетов, ни о каком биоимпедансном анализе и речи быть не может.

Тетраполярная схема спешит на помощь!

А теперь давайте внимательно посмотрим, как выглядят контакты (электроды) на Huawei Smart Scale 3 или любых других умных весах:

Здесь мы видим не «плюс» и «минус», а четыре контакта — два «плюса» и два «минуса».

А вот как выглядят электроды на часах Samsung Galaxy Watch 4 Classic:

Снова видим те же четыре контакта: два «плюса» сзади и по одному контакту («минусу») на каждой кнопке.

Получается, мы подключаем к телу не два электрода, а четыре. Говоря научным языком, мы применяем тетраполярную схему измерения.

Каким же образом два дополнительных электрода («провода») помогают исключить кожу из расчетов?

Всё гениальное — просто!

Вначале мы берем два контакта и подаем на них ток. Точнее, строго определенное количество тока, например, 100 микроампер (это в 20-30 тысяч раз меньше того тока, который выдает зарядное устройство вашего смартфона):

Как и в первом случае, электроны сталкиваются с сопротивлением кожи. Напряжение падает и сквозь кожу проходит гораздо меньше электронов. В результате, внутри тела попадает не 100 микроампер тока, а, скажем, 20 мкА.

На этом моменте часы или весы начинают увеличивать напряжение, чтобы протолкнуть больше тока. Нам не важно, какое сопротивление кожи, устройство будет поднимать напряжение до тех пор, пока эта сила не сможет «пробить» через кожу нужные нам 100 микроампер.

Если кожа будет влажной или потной, весам или часам будет проще затолкнуть внутрь тела 100 микроампер, так как сопротивление кожи будет ниже. Если же кожа окажется очень сухой, устройству придется «попотеть» сильнее.

Но заметьте, мы не замеряем сопротивление, нам это совершенно неважно. Мы просто заталкиваем ток в тело, увеличивая «силу толкания» до тех пор, пока из устройства под кожу не будет выходить ровно 100 мкА.

В итоге, внутри тела окажется ровно 100 микроампер. Прекрасно!

Теперь мы подключаем еще два электрода — первый близко к тому месту, где ток входит в тело. А второй — на другом конце тела:

Эти два электрода используются исключительно с одной целью — измерять падение напряжения. Но теперь мы измеряем падение напряжения, вызванное внутренним сопротивлением тела.

Ведь мы точно знаем, что внутри тела оказалось 100 микроампер тока (какой ценой — не важно). Этот ток устремился от «минуса» к «плюсу» на другом конце тела, из-за чего столкнулся с электрическим сопротивлением внутренних тканей и замедлился. Чем меньше воды внутри тела, тем сильнее сопротивление и сильнее замедляется ток.

Нам остается лишь узнать, как упало напряжение внутри тела с двух концов. На входе движение электронов было очень активным (они только становились в очередь), а вот уже на втором конце движение тока сильно замедлилось, ведь на своем пути ионы (заряженные химические элементы) встретили много преград.

Два измерительных электрода и показывают нам разницу напряжения внутри тела. Воспользовавшись вышеприведенной формулой (сопротивление равно напряжению, деленному на ток), мы и получаем значение сопротивления именно внутренних тканей.

Осталось лишь высчитать объем воды в организме и процент жира, с учетом сопротивления, веса и других параметров, введенных ранее в приложение (пол, возраст, рост).

Получается, сопротивление кожи влияет только на то, с какой силой устройство будет проталкивать ток в тело. Но на само измерение сопротивление кожи никак не влияет.

Погружаемся в тему еще глубже. Или почему биоимпедансный анализ дает погрешность?

Как вы знаете, биоимпедансный анализ не является эталонным способом определения состава тела человека.

Даже при использовании 8 электродов (по два на каждую ногу и руку), мы всё равно будем получать определенную погрешность в измерении процента жира. То есть, даже такие приборы не покажут состав тела со стопроцентной точностью:

Причин для этого настолько много, что даже не знаю, с чего начать и стоит ли обо всём этом подробно говорить, увеличивая объем статьи до размера книги.

К примеру, чуть выше я сказал, что для измерения сопротивления нужно подключить по два электрода с каждой стороны тела. Но наше тело не похоже на цилиндр и это большая проблема для биоимпедансного анализа.

Дело в том, что сопротивление любого предмета напрямую зависит от его длины и толщины. Чем длиннее «цилиндр», тем выше его сопротивление, так как электронам приходится проходить более длинный путь, больше сталкиваясь с препятствиями:

С другой стороны, чем больше площадь поперечного сечения, тем ниже сопротивление. Если вспомнить аналогию с паспортным контролем, то, чем большая площадь сечения, тем больше стоек контроля можно разместить и пустить одновременно больше очередей. Таким образом, за одно и то же время «паспортный контроль» пройдет больше электронов:

Но что делать с телом? Мы измерили только один параметр — сопротивление тела. Какого тела? В форме цилиндра? Какая длина и площадь сечения у этого цилиндра?

Разумеется, тело — не цилиндр. Хорошо. Давайте попробуем представить тело в виде 5 цилиндров, исключив голову из расчета:

Уже лучше. Но мы по прежнему не знаем ни длину, ни объем каждого цилиндра. Да это и не важно пока. Ведь мы даже не знаем, каким образом измерять сопротивление каждого цилиндра по отдельности.

Логика подсказывает, что нужно разместить на концах этих цилиндров по 2 электрода, чтобы схема выглядела так:

Но в реальности ничего подобного нет. Впрочем, столько электродов и не требуется, так как многие участки тела можно перекрыть одной парой электродов.

На Galaxy Watch 4 первые два электрода упираются в запястье на левой руке, а вторые два — касаются пальцев правой руки. То есть, схематически это выглядит так:

Разумеется, ток не будет идти по всему телу, а пройдет по прямому пути, захватив два «цилиндра» целиком (левую и правую руку) и кусочек третьего «цилиндра» (верхнюю часть туловища):

Если же мы используем Huawei Smart Scale 3, электроды размещаются следующим образом:

Получается, ток захватывает только два нижних «цилиндра» (две ноги) и кусочек третьего — нижней части корпуса:

Как же тогда часы или весы смогут измерить сопротивление остальных частей тела? Естественно, никак.

В случае с часами мы действительно измеряем процент жира только в руках и груди, а в случае с весами — ногах и нижней части живота. Всё остальное «дорисовывается» нейросетью и/или сложными алгоритмами, математическими расчетами и физиологическими закономерностями (стандартными соотношениями).

Не стоит думать, что в таком случае результат получается совершенно случайным. Нет, эти алгоритмы достаточно точно моделируют всё тело по нескольким участкам. Но не настолько точно, чтобы считать весы/часы медицинским прибором.

Более того, мы снова возвращаемся к проблеме с длиной и площадью сечения «цилиндров» (ног и рук). Для этого, опять-таки, устройства используют алгоритмы, «рисуя» форму ног и рук на основе пола, возраста, веса и других параметров.

Например, у мужчин более крупные руки, чем у женщин. Можно примерно смоделировать толщину руки, учитывая не только пол, но также вес и рост человека. Для этого нейросети прошли хорошее обучение на огромной базе данных.

Всё еще сложнее, чем могло показаться до этого…

На самом деле, форма рук и ног, как и объем всего тела — это еще полбеды.

Давайте на минутку вернемся в самое начало и представим, что наше тело, всё же, выглядит как один сплошной цилиндр, к которому мы можем подключить по два электрода с каждой стороны.

Однако жидкость в этом «цилиндре» — это не вода в стеклянной банке. Наше тело состоит из клеток и часть всей жидкости находится внутри этих клеток, а другая часть — снаружи. Получается, вся жидкость в организме делится на внеклеточную и внутриклеточную.

И проблема заключается в том, что если мы подадим переменный ток с низкой частотой (то есть, будем менять «плюс» и «минус» местами несколько раз в секунду), он не сможет попасть внутрь клеток и пойдет в обход, по внеклеточной жидкости.

Дело в том, что центральная часть оболочки клетки (её мембраны) состоит из молекул липидов или, проще говоря, слоя жира, который не проводит электричество. А по обе стороны мембраны собираются разные заряды («плюс» и «минус»):

Из-за такой интересной структуры (из-за липидного слоя) ток не может пробраться внутрь клетки. Точнее, это можно сделать, если повысить частоту (менять местами «плюс» и «минус») до сотни тысяч раз в секунду.

Но большинство умных весов, включая Huawei Smart Scale 3, меняют направление тока в основном 50 тысяч раз в секунду (эта частота принята в качестве негласного стандарта). И такой частоты недостаточно для того, чтобы весь ток прошел по всей жидкости, включая внутриклеточную.

Поэтому ток, в основном, будет обходить клетки стороной и мы получим только сопротивление внеклеточной жидкости:

А значит и здесь будут использованы алгоритмы и определенные закономерности в физиологии человека, чтобы восстановить полную картину.

С другой стороны, есть устройства, которые способны работать с разной частотой и замерять сопротивление как внеклеточной, так и внутриклеточной жидкости по отдельности.

К примеру, в часах Galaxy Watch 4 используется мульти-частотный анализатор биоимпеданса, умеющий динамически изменять направление тока (менять «плюс» и «минус» местами) вплоть до 250 тысяч раз в секунду. На такой частоте ток легко проходит сквозь мембраны клеток и устройство может измерять сопротивление всей жидкости:

Это частично позволяет компенсировать другие недостатки устройства (например, крохотные контакты на кнопках).

На этом моменте предлагаю остановиться и сделать небольшие выводы.

Современные устройства для биоимпедансного анализа действительно умеют измерять сопротивление внутренних тканей с очень высокой точностью. Проблема заключается в том, что для точного определения состава тела нужно знать гораздо больше параметров, чем электрическое сопротивление тела и его вес.

В идеале нужно собрать все антропометрические данные и ввести их в устройство, но никто не будет этого делать. Поэтому на помощь приходят нейросети, которых обучают на огромном количестве самых разных людей.

Если говорить о точности биоимпедансного анализа, то при правильном измерении, разница в проценте жира на смарт-часах Galaxy Watch 4 и весах Huawei Smart Scale 3 составляет не более чем на 2-3%.

Для подготовки этой статьи я каждое утро проводил биоимпедансный анализ двумя устройствами и в следующей таблице вы можете увидеть результат. Но перед этим несколько пояснений:

• SGW4 — часы Samsung Galaxy Watch 4
• HSS3 — весы Huawei Smart Scale 3
• ООВ — основной обмен веществ, он же — базальный метаболизм. Показывает, какое количество калорий (сколько энергии) требуется вашему телу для поддержания жизни (дыхания, сердцебиения и пр.) в течение суток.
• Сколько бы замеров не проводилось весами, они всегда показывают одни и те же значения, поэтому в колонке указано только одно число. Но показания смарт-часов при каждом повторном измерении немного варьируются, поэтому в колонке указан диапазон всех измеренных мною значений.

Сравнение Galaxy Watch 4 и Huawei Smart Scale 3:

Обратите внимание, что каждое устройство анализировало совершенно разные части тела. Весы определяли процент жира во всем теле, измеряя сопротивление внутренних тканей ног и нижней части живота, а часы — внутренних тканей рук и груди.

Тем не менее, показатели в среднем расходятся на 1.5-3%. Является ли для вас такая погрешность допустимой — решать уже вам.

Общие выводы

К сожалению, объем статьи не позволяет нам погрузиться в тему биоимпедансного анализа более глубоко, чтобы рассмотреть все формулы и модели, по которым современные устройства определяют и рассчитывают общий объем воды, безжировую массу или процент жира.

В статье мы говорили только о сопротивлении, но в реальности устройства измеряют импеданс (отсюда и название биоимпедансного анализа). То есть, в расчет берется не только активное, но и реактивное сопротивление, а также учитывается фазовый угол.

Всё это довольно сложно понять человеку без подготовки, а потому статья получилась бы гораздо более сложной и длинной.

В завершение хочу сказать следующее. Биоимпедансный анализ из-за всех озвученных ограничений, не является точным методом. Тем не менее, относиться к этому инструменту как к игрушке тоже неправильно.

Практически невозможен такой вариант, чтобы денситометрия (золотой стандарт) показала 29% жира, а смарт-часы или умные весы — 19%. Биоимпеданс достаточно точен для удовлетворения любопытства. И тот факт, что даже смарт-часы с такой высокой корреляцией показывают состав тела, не может не радовать.

Эти устройства прекрасно подходят для того, чтобы следить за своим состоянием в динамике. Главное — правильно проводить измерение. Делать это утром в одно и то же время, после утреннего туалета, до того, как вы выпьете стакан воды.

Если речь идет о смарт-часах, нужно обязательно приподнимать руки во время измерения (лучше держать их перед собой), чтобы они не соприкасались с туловищем, особенно в области подмышек.

Также необходимо исключить любые металлические предметы на руках, включая металлический браслет, если вы используете часы именно с браслетом. Ну и, конечно же, пальцы правой руки должны касаться только кнопок-электродов. А сам контакт с кнопками должен быть уверенным и плотным.

Еще лучше избегать движений мышц во время измерения, чтобы возникающий в мышцах ток не вносил искажений.

Алексей, главред Deep-Review