位置感知技術加持　醫療穿戴裝置應用更廣

根據研究機構Juniper Research指出，全球健身追蹤器(Fitness Tracker)的市場規模將於2018年達到6,000萬台，是2014年銷售量的三倍之多。此外，CCS Insight分析師也預測，整體穿戴裝置市場到2018年會成長至1.72億台，因此，健身追蹤裝置預估將占超過三分之一的比例。

例如Fitbit和小米手環(MiBand)都是可用來量測心跳和活動程度的智慧型裝置，並能合理估算某特定活動程度下消耗的熱量。就在這些智慧手環吸引眾多媒體關注的同時，可從各種生物感測器收集並傳送資料的複雜型穿戴裝置也正在興起。這些裝置的用途不再局限於幫助人們評估活動與體適能程度，並將這些訊息透過行動電話應用程式和雲端服務與朋友分享而已。這些新一代裝置能為醫療產業發揮更高的價值，包括提升生命品質，有時甚至能延長病患的預期壽命。

然而，它的效益不僅止於提升醫療品質。投資於行動醫療(mHealth)的商業價值是非常具有說服力的(圖1)。同樣地，根據Juniper Research的報告顯示，在2013至2018年間，遠端病患監控將能節省全球高達360億美元的成本、縮短25%的所需住院天數，並能降低20%的醫院管理費用。

圖1 mHealth行動醫療的商業價值深具吸引力

在全球行動通訊系統協會(GSMA)委託PWC顧問公司於2013年進行的一份研究報告中，對於相關醫療費用的減省更為樂觀。報告指出，由於能更有效地照顧1.85億名病患，歐洲mHealth將能減少30∼35%的慢性疾病照護成本。整體來看，mHealth可為歐盟地區節省1億歐元的成本，並增加930億歐元的國內生產毛額。

不僅已開發國家能享有這個好處，GSMA的其他報告也指出，mHealth每年能挽救撒哈拉沙漠以南非洲(sub-Saharan)地區二十萬人的生命。行動醫療技術在此區域可被用來對抗瘧疾、肺結核、懷孕產期以及AIDS/HIV等這些每年會造成三百萬人死亡的疾病。事實上，PWC在2014年發表的報告顯示，新興市場對mHealth技術的認同度達61%，遠比已開發市場的37%為高。

量測數據以供醫療人員存取

在目前的醫療照護中，心跳是最基本的生命跡象，但現在可以用更先進的感測器來擷取其他許多不同的生理資料，包括心跳、心律型態、呼吸頻率、血壓、血氧濃度等。此外，穿戴裝置也能與植入體內的感測器相連。

醫療產業現正朝建立人體感測器無線網路，亦即無線人體區域網路(Wireless Body Area Network, WBAN)的目標邁進，可幫助醫療專業人員在發生意外時取得有關傷者位置及其行動性的資料。位置資料可能來自醫療環境內的專屬無線系統、或是來自Wi-Fi、蜂巢式無線電網路、衛星追蹤系統，以及這些技術的結合。當病患突然遭遇意外事故而導致突發性的移動時，三維(3D)加速計便能偵測出來。

mHealth穿戴裝置將會有許多不同的形狀、尺寸與型式，有時可能只是用來提醒病患採取某種行動，像是服藥或重開處方籤等的獨立式裝置。但是，絕大部分的mHealth穿戴裝置都須要與應用程式相連，以便分析並與來自感測器的資料通訊。應用程式能安裝在病患的智慧型手機上，但是mHealth的主要好處在於將資料透過網際網路傳送到雲端服務，以供醫療人員存取。

整合來自數千或甚至數百萬名病患的資料，可為醫療人員提供醫療情況的新洞見。舉例來說，美國的iRhythm已開發出一套能偵測和診斷心律不整或心跳不規律的解決方案。利用貼在病患胸部的感測器，資料可透過智慧型手機或其網站傳送出去。該公司已收集到超過5,100萬小時心電圖(ECG)紀錄的心跳資料，並利用這些結果對心律不整有更完整的瞭解，並修正其分析演算法。

位置感知技術可挽救生命

位置感知可為生理感測器資料增加另一個層面的資訊。若醫療人員知道病患遭遇危險時，能無須依賴語音通訊就精確知道病患的位置，就有可能挽救生命，讓意外事件有完全不同的結果。

Numera便是一家結合多種不同技術來提供mHealth服務的公司。它的Libris+行動皮包(圖2)可為虛弱病人，特別是老人，提供跌倒偵測功能。根據統計，在美國65歲以上的長者中，每年會有1,480萬人跌倒，其中會有20∼30%的跌倒會造成中度到重度的傷害。Libris+通常是用細繩掛在脖子上，它把跌倒偵測感測器與全球衛星導航和蜂巢無線電(語音和數據)整合在一起，能將問題回報給服務中心，讓中心通知穿戴者的親戚或朋友，使救助能更快且有效地進行。此外，它還能用手動按鈕的方式啟動通訊功能。電子磅秤、血壓計以及血氧濃度偵測器也能與Libris+相連，讓裝置成為使用者的近端通訊集線器，以與各種不同的身體與生理感測器相連。

圖2 Libris+行動皮包可提供完整的跌倒偵測，並能作為其他身體與生理感測器的通訊集線器。

為實現位置感知功能　小尺寸/多模GNSS模組發威

室內位置的資料可利用建築物內的專用無線感測器網路或Wi-Fi熱點推算出來。室外的衛星導航可提供最一致的全球覆蓋範圍，而且它的準確度能利用蜂巢式網路或Wi-Fi路由器位置資料來進一步增強。

雖然許多人用「GPS」來做為衛星定位或導航系統的統稱，但事實上，GPS正確來說是指美國的衛星追蹤系統。全球導航衛星系統(GNSS)才是真正的統稱，因為俄羅斯有GLONASS系統、中國大陸有北斗系統、而歐洲正推出伽利略系統。這些系統通常都能與衛星輔助系統(SBAS)互補，SBAS能在接收到的衛星訊號中增加來自地面參考基地台的資料，以提升準確度。

要在mHealth產品中增加GNSS位置感知功能是有挑戰性的。使用者喜歡輕薄短小的裝置，而且不想要經常充電，所以非常低的耗電量是首要考量。此外，另一個重要考量是，消費性市場的利潤通常很低，因此會將嚴格的成本壓力轉嫁到元件供應商身上。但同樣重要的是，mHealth裝置製造商必須市場上以創新取勝，輸家與贏家之間的差別，就在於能否率先推出新產品，因此簡化位置感知功能的整合工作也是至關重要的。

有些公司選擇採用自己做晶片設計其所需的GNSS功能性。但是，更多的公司選用現成的GNSS模組來簡化整合設計、縮短上市時間、並降低製造的複雜度。例如u-blox的EVA-7M(7毫米×7毫米×1.1毫米)(圖3)和MAX-7(9.7毫米×10.1毫米×2.5毫米)便是這類型模組的兩個範例。這兩款模組都能追蹤GPS或GLONASS衛星訊號，並支援GPS上的SBAS系統。這兩款模組都不需要主機微控制器，而且僅需非常少的外部元件，所以能快速、輕鬆地整合到穿戴式裝置中。結合高追蹤靈敏度以及在3伏特(V)僅有16.4毫安培(mA)的連續耗電量(在省電模式中，3伏特僅耗電4∼4.5毫安培)，此模組能提供2.5公尺準確度的GPS定位數據(GLONASS為4公尺)，或是支援SBAS的2.0公尺準確度。

圖3 EVA-7M是完整的GNSS模組，僅需一個外部石英振盪器、天線以及電源連接便可為mHealth裝置增加定位資訊。

若需要更廣泛的GNSS覆蓋範圍，EVA-M8M和MAX-M8模組的尺寸分別與EVA-7M和MAX-7相同，但能增加北斗衛星的接收功能，並且最多能與兩個衛星系統同步運作。EVA-M8M的追蹤靈敏度為-164dBm，MAX-M8M為-167dBm。這兩款模組均能支援伽利略系統，所以當伽利略系統啟用時，能依需求進行更新。

如前所述，當衛星訊號微弱或被遮蔽時，透過利用網際網路或蜂巢式無線網路的資料，可與衛星訊號互補以提升導航準確度。此外，AssistNow(圖4)是免費的輔助GNSS(A-GNSS)服務，可利用此方法在數秒內完成位置的運算。如果僅利用GNSS訊號，當訊號被遮蔽或減弱時，可能要花費數分鐘或甚至數小時才能算出位置資訊。

圖4 透過結合衛星與無線網路數據，A-GNSS能更快決定正確位置。

與網際網路相連勢在必行

在健身市場中，實現網際網路連結最常見的方法是利用具備行動通訊或Wi-Fi功能的智慧型手機或平板電腦來上網。由於智慧型手機或平板電腦幾乎都會支援藍牙技術，因此來自感測器、或是整合處理器的感測器模組資料，通常會使用低功耗藍牙(亦稱為Bluetooth Smart)技術來提供與手機或平板電腦間的鏈結。但是，穿戴式mHealth裝置的連接功能是非常重要的關鍵要素，特別是用來監控老人或其他病患時，更應確保網路連接不會中斷。因此，專屬的網際網路連接會是比較好的做法。即使有人忘了帶智慧型手機外出購物或是遺失手機，與醫療照護服務供應商之間的通訊也不會因此中斷。

美國GTX公司開發的SmartSole在鞋墊中整合了GPS追蹤與蜂巢式無線電，提供一套獨立式解決方案，讓醫療人員或病患的親戚朋友能隨時追蹤病人的狀態以確保安全。在某些情況下，它能讓病患留在家中，不一定要到醫療機構接受照護。的確，對患有失智或其他腦部疾病的患者來說，要求他們使用智慧型手機或記得隨身攜帶裝置是有困難的，所以這類完全整合的解決方案才是唯一的可靠選擇。與許多的智慧型手機相比，SmartSole(圖5)的電池壽命更長，充電一次可使用2∼3天。

圖5 SmartSole整合了GPS和蜂巢式無線電技術，可確保能利用智慧型手機、平板電腦或具上網功能的電腦來追蹤不小心便會從安全地點走失的病患位置。

至於GNSS的設計，增加蜂巢式無線電功能需要精巧尺寸、簡易整合、可靠效能以及低成本。同樣地，模組通常能提供最具成本效益的解決方案。針對低數據傳輸率的應用，像是mHealth裝置來說，2G網路通常就可提供足夠的頻寬與功能性。

然而，隨著4G基礎建設的投資加速進展，電信業者現在已開始關閉老舊的網路設施。為了使mHealth裝置能因應未來的技術需求，特別是醫療裝置與專注於運動健身的消費性產品不同，需要更長的使用壽命，因此最好能將3G和4G模組的行動連接性也整合在一起。雖然初期會增加一些成本，但由於在產品的整個使用壽命期間能減少因網路升級所需的設計升級，反而更具成本效益。它也能確保，不管選用哪種蜂巢式無線電模組，都無須變更電路板布局就能輕鬆升級。

例如，u-blox TOBY-L2系列4G長程演進計畫(LTE)語音和數據機模組(圖6)，由於採用套疊式設計，可提供從SARA-U2(3G)和SARA-G3(GSM)模組的無縫、簡易替換升級。無須更換印刷電路板就能升級產品。TOBY-L2亦可針對北美、歐洲、亞太和南美洲市場提供不同版本，讓採用此系列模組的產品能輕鬆調整以符合全球市場的需求。此外，該模組能在嚴苛環境中可靠地運作，其操作溫度範圍為-40℃到+85℃。

圖6 TOBY-L2模組在的35.6毫米×24.8毫米×2.6毫米封裝尺寸中整合了蜂巢式收發器、基頻處理器、天線交換器和濾波器、以及電源管理功能。

所有這些無線電模組都能與該公司的GNSS模組緊密整合，提供設計人員低風險、高可靠度，以及結合行動連接性與定位資料的多種高效能選擇。它們都支援CellLocate技術，能結合蜂巢式資訊與GPS定位資料實現獨立式位置計算功能，以提升定位準確度與速度，這在GNSS訊號被遮蔽的環境中特別能發揮作用。

更多的功能性將進一步整合

能在單一晶片或模組上整合越多的功能性，解決方案的成本效益就越高，因為每單一功能的設計與開發成本能因提升整合度而大幅降低。在短期內，市面上將可看到在相同的模組上，GNSS功能會與各種連接技術更緊密地整合，包括Wi-Fi、藍牙和蜂巢式無線電通訊技術等。而隨著時間進展，甚至會看到所有的功能性都將集合在單一晶片之中的高整合度解決方案。 (本文作者為u-blox產品經理)