隨身醫療檢測應用夯　穿戴式裝置市場熱度增溫

然而因穿戴式裝置期望以輕巧簡便來貼近消費者，在設計上對於體積、重量、使用時間、功能性、價格、舒適度甚至時尚感將會有更嚴苛的要求。因此面對即將引爆的穿戴式熱戰，科技業者無不積極發展創新科技與應用，期能大啖穿戴式電子商機。

穿戴電子開啟隨身醫療應用大門

目前穿戴式醫療電子裝置主要以「健康照護」做為主流訴求，其應用族群約可概分為：術後病人、亞健康族群與一般使用者。術後病人部分，通常醫生最為關切的是術後復原狀態以及生活作息，尤其是經歷心臟手術者。因此透過穿戴式醫療電子裝置，醫生將可進行術後長時間資料蒐集、分析與追蹤，並依據分析結果對病人做更精確的掌握，進而提升病人術後照護品質。

對於亞健康族群而言，其身體健康狀態已處於疾病邊緣，大多數人皆有高血壓、高血脂與高血糖現象，若不適當調養，往往容易演變成慢性疾病。有鑑於此，若此族群採用穿戴式醫療電子裝置，每日監控相關生理訊息，便可有效掌握健康變化趨勢。此外，專業醫療人士亦可透過整合分析，提供更好的生活指南，降低發病機率，因此近年相關生理訊號檢測已成為穿戴裝置的功能演進重點。

但是，進一步思考未來可能的應用情境與產品型態可發現，穿戴式醫療電子仍有許多技術門檻須克服。以外觀來說，穿戴式醫療電子裝置需更輕薄短小且可更符合人體曲線，因此新材質或新型態的零組件技術與製程將是未來需求。

除此之外，如何透過優化的軟硬體技術讓此輕巧裝置發揮最大功用亦是關鍵因素。目前穿戴式醫療電子與3C電子之基本架構差異並不大，主要包含各種感知系統、微控制器(MCU)、介面電路、電源管理和顯示器等，而最大差異為：穿戴式醫療電子裝置不一定要採用最先進的零組件，但夠持久的電池壽命才是能否為消費者所接受並在市場獲得成功的重要指標。

由上可知，若能掌握主宰系統功耗之三大核心技術：感知、能源、通訊，便能在穿戴式科技市場起飛時贏得先機。

感測器融合/協同處理器角色吃重

目前普遍的穿戴式醫療電子裝置之生理訊號檢測流程約可概分為：訊號感知接收、訊號融合處理與訊號分析判讀，針對不同生理訊號，將會有不一樣的處理結構。

以生理訊號檢測而言，基本上可分為三大類：首先是生物電性訊號，例如腦電訊號(EEG)、心電訊號(ECG)、肌電訊號(EMG)及眼動訊號(EOG)等；其次為壓力變化訊號檢測，例如血管壓力變化、心臟衝擊波變化等；最後則是光學訊號檢測，透過血液中血紅素含氧量在不同波段的光譜吸收率或者反射率差異，進而檢測出血液含氧量變化。

綜觀市售產品，心電訊號與光學訊號檢測兩種方式為目前穿戴式醫療電子裝置上最廣泛被使用的，如圖1所示。在訊號融合處理部分，大多技術都圍繞著取樣率設定、濾波器設計、演算法最佳化等，此不外乎都是為了能在最低耗能下，完成複雜的訊號處理。

圖1　目前市面上最為熱門的兩種生理訊號檢測方式，心電訊號與光學訊號檢測。

一般來說，訊號處理好壞將會直接影響到後續能否正確地進行訊號分析判讀，目前此計算平台與方法已相當成熟，但是否能應用在訴求為長時間使用且可進行連續性觀測的穿戴式醫療電子裝置中，通常須考慮以下幾點：計算效能的需求、計算資源的需求、精確度以及處理時間。一般對穿戴式醫療電子裝置的訊號處理可以採取分而治之方式處理，亦即訊號前處理及後處理。在穿戴式醫療電子裝置上進行的訊號處理依照微處理器計算能力和功能設定而定，其他部分則交可給行動裝置或者後端資料分析平台處理，不一而定。

有鑑於此，若要提升感知系統使用效率或降低功耗，加入具有資料緩衝功能的靈活融合引擎技術是為一種不錯的解決方案，如圖2所示。此作法是在感知資訊傳送至處理器前先進行特徵值萃取，並進行靈活融合判讀，藉此釐清感知資訊是否須送到處理器中做進一步運算。需要的話靈活融合引擎僅傳送必要資訊，反之將暫存感測資訊供下次資料比對與處理用。

圖2　具管理效能之節能感知系統

除此之外，此技術之演算法亦可根據不同應用情境進行開發，藉由量測與模擬反覆調校修正，以降低判斷誤差的發生。因此，若要達成具管理效能之節能感知系統，將可藉由事件驅動管理或靈活融合資訊，如此一來後端訊號處理與資料傳輸電路將在必要時才會運作，而當感知環境未改變時皆進入待機模式，透由循序性事件驅動技術與有效分配控管系統能量，使感知系統更符合低耗能之系統需求。

綜合上述，採用正確的適合穿戴式醫療電子裝置之訊號處理方式，將會是裝置能否通過市場考驗的第一道關卡。

低功耗處理/通訊/電源方案成設計焦點

對下一代穿戴式裝置設計而言，開發商為免除充電或須攜帶電源線的麻煩，實現超低耗能前端系統(感知+資料處理)將為首要目標。唯有超低功耗操作，科技才能變得真正個人化並融入到用戶所處的各個場所中，此亦是最重要的核心議題。但如何達成超低功耗目標，除前面段落所談到的取樣率與演算法等「軟」實力外，感知元件、能源技術、通訊手段等「硬」實力亦扮演舉足輕重的角色。

超低功耗風潮發酵　協同處理器/能源採集走紅

兼顧性能和功率消耗之資料處理技術：穿戴式醫療電子裝置對於處理器效能需求差異很大，設計者須依據裝置的體積，考量充電便利性、使用時間等要素，選擇處理器規格。

一般而言，處理器與系統必須具備超低功率消耗，以突破使用時間和充電時間限制。目前業界多有宣稱擁有超低功耗解決方案，然而其規格仍未達到理想目標。此外，未來穿戴式裝置可能取代智慧型手機部分功能，但此時裝置需較高效能的影音、資料傳輸運算需求，並兼顧長時間待機，所以將搭配類似手機的高階處理器(SoC)與超低功率消耗的微控制器，再以低功耗協同處理器執行待機和低運算量工作，進而兼顧性能和功率消耗之資料處理。

與此同時，永保充沛電力之環境能源擷取技術亦是熱門焦點。目前市面上產品除採用各式省電機制延長使用時間外，亦針對各類型的充電與擷能技術進行研發，期望藉由以能源擷取轉換輔助技術，對裝置補充能量並延長電池壽命，如光能、熱能、無線能源或震動能等(圖3)，其中最適合用於輕薄短小之穿戴式裝置的為使用光伏產生器與熱電產生器分別收集光能以及熱溫差作為輔助能量(圖4)。

圖3　主要環境能源收集之種類

圖4　彩色太陽能電池-光伏產生器與微型熱電產生器

然而因穿戴式醫療電子裝置應用廣泛，使用地點與方式皆不相同，將無法得到最有效率的能源轉換。因此若能搭載多種能源擷取，對於電池使用時間將會有顯著的提升。但任一能源擷取器僅有一個最佳操作點，系統若不能在此點上操作便會產生能源損耗，進而降低輸出能量。

為克服上述問題，目前已有許多國際大廠投入環境能源擷取管理之技術開發上，如凌力爾特(Linear Technology)及德州儀器(TI)，都是早期投入技術開發的廠商。其中凌力爾特目前已推出的LTC3105與LTC3108，分別可實現適用於光電轉換之250毫伏特(mV)冷啟動電壓與適用於熱電轉換之20mV冷啟動電壓；而TI推出的bq25504，則可達到350奈安培(nA)超低功耗能源轉換，實現從330mV冷啟動電壓轉換，並具有開迴路電壓運算之最大功率點追蹤功能。

另一方面，動態功耗控制則可實現長效電池壽命。隨著越來越複雜且強大的運算量需求，以及輕薄短小的機構設計趨勢，電子裝置電池壽命問題層出不窮。高整合能源管理技術，將藉由整合各種能源擷取、電池管理及電源管理系統，來解決或改善電池壽命問題；其中，電源管理是能源管理節能最重要部分，其可讓穿戴式裝置在正常工作與閒置模式間進行最佳化功率控制，選擇出最為合適的運作頻率、操作電壓及邏輯控制，以達到動態節能之效果，如圖5所示。

圖5　智能動態功耗控制技術

然而降低電壓並不是容易的設計，隨著電晶體接近臨界電壓，其開關速度會開始銳減，但為了保持一定的操作速度，必須要針對各種邏輯閘進行分析及重新設計，以實現在低電壓操作下還保有足夠速度進行運算。因此若掌握低電壓/低功耗之關鍵技術，穿戴式裝置將可依照目前操作狀態去決定對應的電壓，實現動態節能效果，進而達到長效電池壽命之目的。

鎖定節能/低資料量傳輸　藍牙/ZigBee設計再炒熱

訊號通訊力求低耗能。對穿戴式醫療電子裝置商品來說，如何在有限電池容量下延長使用時間為相當重要的議題，其中最為關鍵的因素即為對外通訊，因為此傳輸介面所需能量約占全系統五成以上。目前智慧穿戴式裝置大多以短距離通訊傳輸為主，其中以IEEE 802.15家族最被為廣泛採用，包含藍牙(Bluetooth)、ZigBee等。而與無線區域網路IEEE 802.11家族相比，此傳輸技術藉由降低資料傳輸速率，並採用較為簡易的調變機制以達到超低功耗之需求。

以目前最受廠商青睞的Bluetooth 4.0來說，其最大傳輸資料速率為1Mbit/s、傳輸距離理論值可達150公尺，而最令大家驚豔的為峰值電流將可小於10mA。此外系統採用高斯頻移鍵控調變機制，並包含適應性跳頻以確保傳輸品質。

除上述幾種傳輸標準外，近年因新一代醫療照護概念興起，亦有適用於各式身理資訊溝通的短距離人體區域網路(IEEE 802.15.6)，目的是要取代眾多的專屬通訊規格，並期望能提供比Bluetooth Low Energy更穩定的服務品質連結及抗干擾能力，如圖6所示。然而人體通道響應具電容特性，其將隨著穿戴者的年齡、身高體重、姿勢、電極幾何設計而有所差異，進而導致傳輸資訊判讀不易，甚至產生錯誤。此外人體資訊傳輸基本上為封包傳輸，因此如何有效利用前導序列進行時間同步亦是設計關鍵。

圖6　BAN應用於健康看護系統

(本文作者為工研院資通所低功耗混合訊號部資深工程師)