体脂手环,Watch核心功能将迎来全面更新

别看现在可穿戴设备就几家厂商在做,但数一数,都是大佬啊!可见这个市场还是非常有潜力的,而现在厂商们不仅仅把目光放在可穿戴设备本体上,还投向了其他配件,比如表带。之前我们报道过苹果有项新专利,未来的Apple
Watch表带上可能会装有摄像头,而近日,又有消息称,三星也将在表带上做文章,有一项专利表明可能开发一款具有体脂测量功能的表带。

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本文由腾讯数码独家发布

体脂检测属于人体成分分析中的一项

在医疗仪器领域早已应用较多。由于最近两年穿戴式设备的爆发,传统医疗仪器上的部分检测功能被搬到了手环、手表、水杯或体重秤等普通消费类电子上。比较常见的有计步、卡里路消耗、睡眠质量、心率、血氧、体脂等指标的测量。

我曾在三分钟看懂智能硬件原理系列文章中介绍过利用加速计如何实现计步、睡眠质量检测[1]。曾在每日电路图系列文章中介绍过心率检测的原理及心率检测模块的设计[2]。

本文将介绍体脂手环、体脂称等具有体脂检测的消费类电子上的体脂检测原理及技术方案实现。

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据来自美国专利和商标局公布的最新消息,三星在2015年提交的专利显示了该公司正在为其下一代Galaxy
Watch和Galaxy Watch Active型号开发一项名为Body
Composition的新功能。这表示,用户在使用该款可穿戴设备时,能够测量体脂的百分比。

Apple Watch
4是目前市面上最好的智能手表之一。虽然在设计上它并没有与前代产品有根本性的不同,但它采用了更光滑的外形和更大的显示屏。除此之外,它最突出的功能应该是内置的心电图监测器,虽然目前只在美国可用,但它无疑是Apple
Watch
4引入的最有前景的新功能之一。这不仅对苹果而言是一个极大的跨越,对整个可穿戴设备行业也具有重要意义,因为个人健康监测设备一次又一次被证明是身体健康最忠实的守护者和保障者。

下图是某款大众化的体脂称的特点介绍:

图中第一点罗列了众多可检测的指标,虽然很多,但绝大部分都能用第四点说的BIA技术实现![3]

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[某款体脂称特点][#4]

BIA方法是体脂检测的关键技术

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尽管如此,Apple
Watch仍然不是完美的。虽然它引入了一些创新功能,但在竞争如此激烈的个人穿戴设备领域,它仍然缺乏部分功能。其中之一就是睡眠追踪,早有传言,苹果公司已经花了很长时间来研究它,以便及时为Apple
Watch5做好准备。但这并不是第五代Apple Watch
唯一的新元素。以下是我们对苹果2019年智能手表了解到的所有信息汇总。

BIA测量法

传统上,测量体脂率的方法较为复杂,以DEXA测量为主,但所耗费时间及费用都相当不经济,因此这几年出现了较方便的生物电阻测量法(Bio-impedance
analysis,
简称BIA),即在很短的时间内即可获得颇准确的测量值,适合在家庭中及医师在门诊使用。

BIA测量法的主要原理乃是将身体简单分为导电的体液、肌肉等,以及不导电的脂肪组织,测量时由电极片发出极微小电流经过身体,若脂肪比率高,则所测得的生物电阻较大,反之亦然,BIA就是经由此种机转来做体脂率的测量。

BIA方法本质是测人体电阻

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据专利显示,表带中将包含几个电极,通过与佩戴者的皮肤接触来测量脂肪百分比,两个电极也将存在于手表的外表面上。在测量时,只需放置两个手指就能实现生物电阻抗分析,其原理是通过使用低功率AC电流计算脂肪和水分之间的比率并分析脂肪组织和非脂肪组织之间的电阻。

设计

体脂检测的产品

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虽然前三代Apple
watch的设计几乎完全相同,但第4代的屏幕更大、更平,外形上有了些许改观。但是如果你不是购买了前三代Apple
watch,然后再购买Apple watch
4,你可能也不会注意到这些变化。不过,据可靠消息,Apple watch
5在设计上也不会有什么根本性转换。事实上,连一向信息可信度很高的苹果分析师郭明志(Ming-Chi
Kuo)也说,Apple
Watch5在设计上与前代产品基本相同,此次他们将重点放在了内部的变化和改进上。

1. 体脂称

具有体脂检测的体重秤的面板上往往有两个电极,当用户两只脚踩到体脂称上之后,其内部的BIA模块会测量被测者从左脚到右脚的电阻,并结合被测者的身高、体重、年龄、性别等数据,计算体脂等人体健康参数。[4]

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[某款体脂称的介绍][#6]

下图是某款体脂称专利中关于体脂检测原理的介绍:[5]

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[某款体脂称专利关于体脂称原理的介绍][#8]

下图是某款体脂检测方案的架构:本图来自《SoC和传感器模块为物联网设计通捷径》,该文中有对体脂检测方案的介绍,链接见文章引用[6]。

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[某款体脂检测方案架构图][#10]

目前为止,市场上还没有像智能手表这么小的设备可以通过BIA来测量身体成分,如果三星真的能在新的智能手表上实现这一功能,那是非常具有突破性的。而最新的消息,三星可能会在今年第三季度,也就是7月-9月推出Galaxy
Watch 2,至于会不会有量体脂的表带出现,就让我们期待一下吧。

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2. 体脂手机

三星某款专利中介绍用四个传感器来测量用户体脂。具体来讲就是,将传感器植入智能手机或者智能手机附近,这里所说的“附近”其实也就是智能手机保护壳。这四个传感器可以一同来测量阻抗信息,后者产生于传感器与人体之间的接触或互动。[7]

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三星专利-体脂手机

手机上的传感器能够基于所测量的输入电流强度和电压强度来获得有关物体的’阻抗’信息,并基于这些阻抗信息来测量人体体脂。

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三星专利-体脂手机原理

每发布一款新的Apple
Watch,都会有一群人问,“会不会有一个带圆形显示屏的版本?”今年也不例外。答案是:“不,Apple
Watch
5不会有圆形显示屏。”苹果公司对其智能手表的矩形外形一直很自信,在可预期的将来大致也不会偏离这个思路。这并不是要故意要和那些想要圆形智能手表的人唱反调,而是因为用户界面目前只能被设计成在矩形显示屏上工作。当然我们不排除未来会启用圆形显示屏的可能性,只是显然不是今年。

3. 体脂手环

韩国的专业身体成分分析器制造商InBody正式进军可穿戴行业,在去年的CES国际消费电子展上发布了InBody
Band手环。通过该手环,你不必站上磅秤就能够测量你的身体质量指数(BMI)。

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inbody手环

InBody
Band手环让你可以随时随地检测自己的身体状况。它能够告诉你你的脂肪和肌肉质量、体脂率、心率和身体质量指数。它是借助其配备的四个传感器做到这一切的——其传感器的分布为两前两后。只要将手指放在前面的传感器上,再加上来自你的手腕的数据,你就可以获得读数。

可见,InBody测量的是从佩戴手环的手到未佩戴的手之间的人体电阻

从测试来看,InBody
Band能够在5到10秒内得出读数,但具体有多准确目前还不好说。

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与Apple Watch互动的新方式

人体成分分析的电阻抗基本理论

生物组织中包含有许多的细胞,而细胞间还有许多的液体,这些液体可以被看作电解质。如图所示,当施加低频或直流电流通过生物组织时,电流将绕过细胞组织,从细胞外液流过;当流过生物组织的电流频率变高时,由于细胞膜等效的电容容抗值变小,所以一部分电流会穿进细胞膜流过细胞内液。从图可以看出生物组织在频率较低时阻抗较大而频率较高时阻抗比较小,阻抗值的这种变化很好的反映了在生物组织中细胞膜的这种电容性质,而这种特性早在1920
年被Philippson 所认识,所以后来产生了等效电路的概念。[9]

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生物组织导电示意图

从一定意义上来说,BIA
法并不是建立在生物学和物理学的推理之上而直接对我们所感兴趣的生理量进行直接的测量,它是以统计学为基础的测量方法。其中,通过大量的人体测量数据和统计学的处理研究,发现身高的平方除以一定频率下测得的阻抗的值(H2/R)和一些人体成分的参数具有显著的相关性,再加上人体体重,年龄,性别等基本参数,可以对我们所感兴趣的人体成分(如细胞外液,TBW和非脂肪组织等)进行评估。BIA
法中如果得到人体水分(人体总水重或细胞外液),根据非脂肪物质之中水分含量具有相对固定性,可以估算出非脂肪或者脂肪含量,同理BIA
法中还可以通过已知的人体成分量估算出未知的人体成分量,从而得到我们需要的参数。[9]

BIA
法通常根据人体的模型不同,测量方法也各不相同,同时频率的选择也从最初的50KHz
发展到现在的多频率进行测量,整个人体的电阻抗模型也从全身阻抗模型到分为手,脚和躯干的五段模型。

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