各類可穿戴設備是如何計算人體熱量消耗的？

01-29

發現市場上各家產品熱量消耗統計不盡相同，而且有些差距還是蠻大的，求大神指點一下此類產品計算熱量的原理。

感謝邀請。我不知道你說的是哪一種，我說說研究機構測量人體熱量消耗的方法吧。

最簡單的就是「雙標水」，這種方法的好處是可以準確測量自由生活者的日常能量消耗，而且很簡單，被測試者什麼設備都不需要攜帶，只需要喝下一杯特殊的水，然後該幹嘛幹嘛。只需要階段性收集尿液，就可以知道受試者3天－3周內的熱量消耗情況。

雙標水的原理，是通過測量二氧化碳的產生來計算人體能量消耗的，主要看你產生了多少二氧化碳。

還有一種間接測熱法（其實雙標水也屬於間接測熱），是通過看你消耗了多少氧氣，來評價人的熱量消耗的。這類方法一般有2種，過去喜歡使用「閉合－迴路肺活量法」，其實就是給你一罐子氧氣讓你呼吸，看你消耗了多少氧氣。這種方法是19世紀末期發展起來的，設備比較笨重，現在一般不用了。為什麼叫閉合迴路呢？因為設備是一個「封閉系統」，測試者只氧氣罐里的氧氣。

現在使用的一般是「開放－迴路肺活量法」，這種方法不需要帶一瓶氧氣，測試者可以呼吸外界空氣，比較便攜。

當然，更好的方法現在還有計算機儀器測量，設備更便攜，但是原理都是一樣的。

最古老的方法就是直接測熱法了。直接測量人體在運動時，通過輻射、對流、蒸發產生的全部熱量。直接測熱法需要人呆在密閉的測量室里，設備很複雜也很麻煩，現在已經不用了。

仰望尾跡雲在之前的回答中說了測量人體消耗的方法，研究者們用這些方法經過大量實驗，總結出一些對人體消耗的估算參數、公式。

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幾個定義：

基礎代謝（kJ/m^2/h）：（BMR）是指人體維持生命的所有器官所需要的最低能量需要。測定方法是在人體在清醒而又極端安靜的狀態下，不受肌肉活動、環境溫度、食物及精神緊張等影響時的能量代謝率。

體表面積（m^2） ：就是人體的表面積

梅脫（3.5ml/kg/min）：（MET）運動強度的衡量單位

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計算基礎代謝：

BMR=單位時間耗氧量(L/h)*每升氧氣助燃產生的熱量(4.92（kcal/L）)/體表面積S(m^2)
體表面積=0.0061×身高（cm）+0.0128×體重(kg)-0.1529

通過上面兩個公式，簡單輸入身高和體重，就可以估算出基礎代謝。

（其中每升氧氣助燃產生4.92kcal為統計值）

計算運動消耗：

1MET=3.5ml/kg/min

這也是一個基於大量嚴格實驗得出統計數值，用來表示運動的強度。

各種運動的強度參考這個表（準確度未考證）：不同運動項目對應的強度(MET值)

運動手環、手錶通過識別、設定不同的運動強度係數n，來計算耗氧量：

耗氧量=n*3.5ml/kg/min * 體重kg * 運動時間min

再通過耗氧量計算熱量消耗：

熱量消耗=耗氧量(ml)*1000*4.92kcal/L

（其中每升氧氣助燃產生4.92kcal為統計值）

智能手環、手錶如何檢測運動狀態參考我的另一篇回答：

老年人的智能手環真的能檢測到摔倒的狀態嗎？ - 栗明的回答

大多數智能手環都是通過「三軸加速度感測器」來採集運動數據，再通過演算法對採集的數據進行處理分析，對比事先建立好的模型來判斷佩戴者的運動狀態。

以上是手環工作的基本原理，簡單說就是「感測器+演算法」。

簡單說，手環、手錶通過判斷感測器信號與模型的吻合程度來識別運動方式。

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以上是通過身高、體重粗略估算熱量消耗的方法，更加專業一點的手錶、手環品牌還會根據心率、呼吸頻率、血氧等參數對以上公式給出修正。

由於計算方法中大量使用統計值與估計值，公式本身並不嚴謹，再加上每個人的身體條件都不一樣，對熱量的估算只能起到一定程度的參考作用。

參考資料：

Basal metabolic rate

基礎代謝_百度百科

體表面積_百度百科

運動消耗能量計算方法

運動強度不同分類方法的橫向比較

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以小米手環為例

69元的低配版，內置運動感測器。

只要你移動，手環就會記錄你的運動量，從而推測出你消耗的熱量。

69元低配版的局限在於：

如果你不運動（靜止），低配版手環就會認為你消耗的熱量為0。

然而，人們在休息時，也會消耗熱量。此時消耗的熱量叫靜息卡路里。

所以我們需要高配版小米手環（99元）：

高配版手環，除了運動感測器，還有心率感測器。

即便你在休息，你的心臟仍然在跳動。

心率感測器根據你的心跳，估算出你的在休息時消耗的熱量（靜息卡路里）

市面上大多數手環計算的熱量=靜息卡路里+運動卡路里

由心率感測器與運動感測器共同測算。

題主的問題：為什麼各個可穿戴產品測算的熱量各不相同，原因有2：

1. 上述的感測器精準度不同

2. 感測器得到原始數據後，演算法不同

因此最終得到的卡路里消耗量也不盡相同

私以為現階段的智能穿戴設備計算身體消耗熱量是極不準確，僅供娛樂的。

先說熱量消耗分靜息代謝和活動代謝。

靜息代謝指的是維持人體基本生存比如維持體溫、腺體分泌、神經反射所需要的能量，目前科研方面做調研所使用的靜息代謝率測試儀的原理是在清晨未進食的靜息狀態下測算15分鐘或者更長時間內人體呼出的二氧化碳含量從而逆向推算這段時間內人體內的代謝率。

運動代謝就很簡單的，顧名思義。

再說手環，目前的感測器就兩種，一種可以測脈搏，一種陀螺儀通過平衡測步數。（如果有其他方式的感測器請告知我）

所用到的測基礎代謝率的公式：

基礎代謝率%=(脈率+脈壓)-111(Gale)

（還有其他的修正公式，都用到了脈率和脈壓（差），但屬這個最簡單）

其中是默認了脈壓為正常人脈壓（即120/90；脈壓沒那麼好測，僅憑一個手環我是無法想像有任何方式可以測脈壓），所以靜息代謝這部分就這樣估算出來了。

至於活動代謝，應該是採用了走路和跑步的熱量消耗作為基準，走一步消耗的熱量和跑一步消耗的熱量，做一個步數測量來分段計算的。

由此可見手環等類似產品的熱量計算極為不準確，更多的只是個噱頭而已。

以上僅外行人的邏輯分析，期待懂技術的回答以及實驗測算。