「我們多少含有金屬的成分吧
不可燃燒的
卻足以導熱的
停電夜晚
我反射當你微微發光
你走向我同時我走向你
使兩端的距離彎曲」
——鄭聿〈鐵匠〉[1]
人體是個精巧的導體。那些流淌在血液、肌肉組織中的水分，都含有鈉離子、鉀離子等電解質，能夠傳導電流。當微弱電流通過身體，不同組織各自回應這份「發光」，肌肉迅速導通，脂肪緩慢抵抗。這些電學差異，正是體組成分析儀窺探身體秘密的方式。
身體會「導電」？揭開體脂計的科學秘密——體組成分析儀工作原理解析
當你赤著腳踩上體組成分析儀，冰涼的金屬觸感自腳底傳來，接著，數秒鐘內，這台看似普通的機器就能告訴你：有多少脂肪在細胞裡靜默堆疊，有多少肌肉在骨骼上依附，又有多少水分在組織間穿梭流動。這樣的瞬間，總讓人覺得身體彷彿變得透明，所有隱藏的構成都被一種看不見的力量窺探著。其實這背後，有一套精巧的科學原理，叫做「生物電阻抗分析」（Bioelectrical Impedance Analysis，簡稱BIA）。
人體原來是個導體
你知道嗎？你的身體其實是個不錯的導體。不是因為體內藏著什麼金屬，而是因為那些流淌在血液裡、存在於肌肉組織中的水分，都含有鈉離子、鉀離子等電解質，因此能夠傳導電流[2]。
不過，人體各部位的導電能力可大不相同。身體裡有著不同的地貌。肌肉的含水量高達73%，這使得肌肉組織像是寬闊的通道，因為電解質豐富，電流很容易通過。脂肪組織則是另一種風景，含水量只有10%左右，電流在這裡於是變得遲緩。骨頭雖然導電性較低，但不同的骨質密度仍會產生微妙的電學差異，這為更先進的體組成分析提供了可能性。
一場微妙的電流之旅
當你使用體組成分析儀，儀器會在你身上施加一股極其微弱的電流，大約只有800微安培[3]，頻率通常是50kHz。這股電流有多微弱呢？就算是一顆小夜燈LED，都需要約10,000-20,000微安培才能發光，BIA的電流連它的十分之一都不到。連我們偶爾碰到的靜電，都比它強烈數倍。它小到你完全察覺不到，卻已足夠讓機器窺探你身體的祕密。
電流從一個電極進入你的身體，然後選擇阻力最小的路徑前進。如同水往低處流，電流也偏好富含水分和電解質的肌肉組織，在那裡，它可以找到較為順暢的通道。遇到脂肪組織時，阻力驟然增加，電流必須繞道，或者費更大的力氣才能穿過。
在電流的整趟旅程中，軀幹提供了最寬闊的通道。雖然你的軀幹佔了身體重量的一半，但由於它的橫截面積很大，對總電阻的貢獻只有10%。就像寬闊的河流比細小的溪流更容易讓水通過，軀幹也以它的寬容，讓電流更易通過。
從電阻到身體成分的數學魔法
機器測量了電流通過你身體時遇到的總電阻後，接下來便是一場無聲的計算。科學家們發現，身體的電阻和身體組成之間，存在一定的數學關係。
最基本的關聯是：身體成分和身高²/電阻成正比
為什麼要用身高的平方呢？這要回到物理學的基本原理。若是把人體想像成一個圓柱體導體，根據物理學公式：
電阻 = 電阻率 × 長度 ÷ 橫截面積
體積 = 長度 × 橫截面積
重新整理得到：體積 = 長度² ÷ 電阻 × 電阻率
儘管不同組織的電阻率各異，但透過數學建模，『長度²÷電阻』仍能與導電體積建立正比關係。關鍵在於，身體中真正能導電的主要是富含水分的組織，因此肌肉組織的導電性遠優於頑固的脂肪。當肌肉比例較高時，身體會展現較低的電阻，推算出的導電體積也較大，這就對應到較高的非脂肪組織估算值。透過這樣的物理原理，機器得以從電阻值去推算身體組成。
當然，實際的計算不會如此單純。體組成分析的運算還會考慮你的年齡、性別、體重。每個人都有自己獨特的內在地圖，這些地圖又會因為性別、年齡、種族的不同而呈現出不同的群體特徵。
頻率的多重視角
有些BIA設備不滿足於單一的探索方式，它們使用多種頻率的電流，如同以不同波長的光線來映照同一個物件，每種都能揭露不同層次的風景。
低頻電流顯得謹慎，不願穿透細胞膜，只在細胞外的空間遊走。高頻電流則較為大膽，能夠穿透細胞膜，直入細胞的內部世界。透過比較這些不同頻率下的電阻變化，便能區分細胞內和細胞外的水分比例。肌肉量和脂肪量也能被更精確地估算出來。每種頻率彷彿是不同的鑰匙，打開身體不同房間的門。
身體的電路板
從電學角度看，我們的身體原來是塊精密的電路板。每個細胞都像一個微小的電容器，細胞膜是那薄薄的絕緣層，細胞內外的液體則是電容器的兩極。
當電流的頻率較低時，細胞膜就像一道謹慎的門檻，阻擋著電流進入細胞的內部世界，於是電流只能在細胞外的空間流淌。當頻率提高，這道門檻開始鬆動，細胞膜的阻擋作用減弱，電流得以穿越，進入那些更私密的內在空間。
這種隨頻率變化的阻擋效果會產生一個重要的參數，叫做「相位角」。如同每個電容器都會在時間的流逝中慢慢老化，細胞膜的阻擋功能也會隨著我們的健康狀況起伏而變化。健康的細胞膜就像盡職的守門員，能有效地將低頻電流擋在門外，因而產生較大的相位角；而受損或營養不良的細胞，細胞膜變得容易「漏電」，阻擋效果變差，相位角也隨之下降。循著這樣的脈絡，相位角也承載了關於未來健康的某種預示，成為預測病人預後狀況的參考指標。
測量的藝術
BIA的原理聽起來單純，要獲得準確的測量結果，仍有許多細節需要留意。就像拍照時需要合適的光線和角度，BIA測量也有其獨特的時機和條件。 我們體內的水分狀態會影響結果。剛運動完的大汗淋漓，或者剛喝下大量水分的充盈感，都會讓測量結果產生偏差。水分的任何變化，都會改變身體的導電性。
其次，測量時的姿勢也很重要。當你從躺著變成站著，重力便開始重新安排體內液體的分布，改變身體各部位的電阻。因此最好在相同的條件下進行測量，比如每回都選在早晨空腹的時刻。
除此以外，肌膚本身的狀態也是一個容易被忽略的關鍵因素。乾燥的皮膚就像一道阻礙，會產生較高的電阻；而濕潤的皮膚則為電流提供了更友善的通道。電極與皮膚的每一次接觸，都像是一場微妙的對話。皮膚清潔與否，測量程序是否標準，都會影響這場對話的品質。
技術的進化
早期的BIA設備只能測量整個身體的總電阻，就像站在遠處只能看到整片森林的輪廓。現在的技術已經能夠分段測量，分別探測左臂、右臂、軀幹、左腿、右腿的電阻，彷彿為身體繪製了一張詳細的「電阻地圖」。
這種分段測量的意義，在於它能發現那些隱藏在局部的變化。想像一下，雖然軀幹包含了我們約一半的體重，但它對全身電阻的貢獻卻只有5-12%[4]，就像一條寬敞的河道，電流很容易通過。相反地，我們的手臂和腿部雖然重量較輕，卻像是狹窄的山徑，產生了大部分的電阻。
因此，當患者因疾病導致腹部積水時，這些額外的液體雖然會降低軀幹的電阻，但在整體測量中往往會被手腳的「強勢聲音」給掩蓋。然而，分段測量就像是為身體的每個部位配置了專屬的聆聽者，能夠敏銳地捕捉到軀幹部位那細微但重要的電阻變化[5]。
局限性與未來
雖然BIA技術已相當精巧，它也有自己固執的一面。對於那些身體狀況特殊的人，比如嚴重水腫的患者、體內有金屬植入物者，或者BMI極高或極低的人，BIA的準確性便開始搖擺不定[6]。
如同以直尺去測量彎曲道路的長度。工具依然按照它理解的方式在測量，只是測量對象超出了它能理解的範圍。
不過，科學家們並未因此停下腳步。他們正在開發更精確的算法，建立針對不同人群的專用公式，甚至嘗試結合AI技術來提高測量的精度。
日常生活中的應用
今天，BIA技術已從實驗室走出，進入我們的日常生活。從健身房的專業設備到家用體脂計，從醫院的營養評估到安養中心的健康監測，BIA都在發揮它的作用。
對於努力減肥的人，BIA能夠告訴他們減掉的究竟是脂肪還是珍貴的肌肉，避免「減重不減脂」的遺憾。對於健身愛好者，它能夠見證肌肉增長的每一分進步，成為調整訓練計畫的依據。對於年長者，BIA像是一個溫柔的提醒者，能夠在肌肉悄悄流失的早期就發出警訊。
結語
表面看來，BIA只是讓微弱的電流在你身體裡走了一圈，但這看似簡單的過程，其實匯聚了物理學、生物學、數學和工程學的智慧。它讓我們能夠不必開刀、不必抽血，就窺見身體內部的組成秘密。
下回當你站上體脂計，不妨想想這場微妙的電流之旅。在那短短幾秒鐘內，科學正在用它獨特的語言，為你講述身體的故事。那些數字背後，我們也參與一場關於身體密碼的解讀。
參考資料
[1] 鄭聿（2010）。《玩具刀》。台北：逗點文創結社。
[2] Kyle UG, Bosaeus I, De Lorenzo AD, et al. Bioelectrical impedance analysis—part I: review of principles and methods. Clin Nutr. 2004;23:1226-1243.
[3] Aldobali M, Pal K, Chhabra H. Noninvasive health monitoring using bioelectrical impedance analysis. In: Agrawal R, Ansari MA, Anand RS, Sneha S, Mehrotra R, editors. Computational Intelligence in Healthcare Applications. Academic Press; 2022. p. 209-236.
[4] Fuller NJ, Elia M. Potential use of bioelectrical impedance of the ʹwhole bodyʹ and of body segments for the assessment of body composition: comparison with densitometry and anthropometry. Eur J Clin Nutr. 1989;43:779–791.
[5] Bracco D, Berger MM, Revelly JP, et al. Segmental bioelectrical impedance analysis to assess perioperative fluid changes. Crit Care Med. 2000;28(7):2390-6.
[6] Kyle UG, Bosaeus I, De Lorenzo AD, et al. Bioelectrical impedance analysis—part II: utilization in clinical practice. Clin Nutr. 2004;23:1430-1453.