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穿戴裝置即時監測 聯網感測器催生遠端醫療

2021-01-27
以往僅能在醫院使用的醫療感測設備,近年來開始朝向大眾市場發展,居家檢測生理項目越來越多元,設計趨向小型化或穿戴式裝置,甚至把裝置聯網後,協助照護機構和醫院在遠端追蹤病患狀況,減輕醫療照護人員的負擔。

 

隨著IoT概念興起,生理資訊感測裝置開始聯網,無論是血壓計、血糖機等傳統設備,或者是導入在穿戴裝置、行動裝置的感測應用等,皆能把感測數據利用通訊技術傳輸在後端裝置呈現,快速地檢視使用者生理數據,甚至偵測到使用者生理數據出現異常情況下,配合應用程式緊急搜尋附近醫療機構通報。

尤其受到2020年Covid-19影響,「非接觸」變成了疫情期間主要生活方式,提高了感測儀器需求。在日常場景中,車站、公共場合和商場利用紅外線熱像儀感應器隨時監測行人的體溫。在醫院內,醫事人員利用生理資訊感測器傳輸到後台的資料,追蹤患者狀況與行動。

另一方面,醫療成本上升和家庭醫療保健的重視,也成為了推動生理資訊感測應用需求的主要因素。現今,越來越多生理資訊感測裝置應用趨向消費型市場發展,把過去僅能在醫院檢測的生理感測器轉型成穿戴式或小型化裝置,減少使用者在醫院花費的時間與金錢成本。

除此之外,醫生為了可以長期追蹤患者情況,推薦患者使用感測裝置來監測每天生理狀況,特別鎖定在癌症、呼吸系統、心血管疾病或其他慢性病患者,協助醫生針對患者情況來調整治療方式和生活作息。

設定傳輸時程降低設備功耗

由於Covid-19影響,在2020年市場上陸續推出許多不同生理感測應用的解決方案,把生理數據傳輸至手機、手環或手表,再到雲端追蹤。目前生理資訊感測器主要有三種傳輸方式,分別是NFC、藍牙與Zigbee。尤其藍牙已經是手機標準配備,為了配合手機內建的專屬應用程式來記錄,需要具有定位技術,大多數感測器選擇藍牙當作主要通訊方式。

傳輸晶片經常與MCU共同整合在同一個感測模組,首先,生理資訊感測晶片偵測人體來蒐集原始數據,接著在MCU執行簡單分析運算,最後透過傳輸晶片把資料傳至伺服器或是雲端再執行更高階的運算。

然而,從穿戴性裝置來檢視,由於每隔一段時間都會重複進行感測、運算分析和傳輸的流程,短時間內便耗費大量電力,因此,大部份穿戴裝置或感測器採用低功耗藍牙(Bluetooth LE),解決耗能問題。

對此,Nordic區域銷售經理陳俊志(圖1)解釋,低功耗藍牙降低耗能的運作方式有兩種,第一,由於低功耗藍牙運作是一種排序式呈現,需要確定傳輸資料封包的排序後,才開始進行傳輸,可能設定每秒鐘傳輸一次,中間傳的資料很小,當傳輸完成後直接進入睡眠模式;第二,晶片本身預設睡眠模式,感測器在未開啟狀態保持離線的睡眠模式,只有執行最低度的感測功能,把感測數據儲存在感測器,當開啟後繼續與後端裝連線傳輸。

圖1  Nordic區域銷售經理陳俊志提出低功耗藍牙具有定位、低功耗特性較適合應用在生理感測器。

另外,由於生理資訊感測器儲存了使用者的生理數據,凸顯了資料安全的挑戰,芯科科技(Silicon Labs)物聯網產品資深行銷總監Emmanual Sambuis(圖2)指出,低功耗藍牙協定僅保護資料傳輸過程的安全,但沒有涵蓋遠端與物理攻擊的安全,所以現在市場開始推出了硬體安全解決方案,來彌補軟體安全方案的漏洞。

圖2  Silicon Labs物聯網產品資深行銷總監Emmanual Sambuis認為生理資訊感測器擁有使用者生理數據,除了在資料傳輸過程避免資料外洩,也須在硬體方面強化安全。

儘管低功耗藍牙是多數感測設備採用通訊方式,但仍有部分感測器則使用Zigbee或其他傳輸方式,則需要提供專屬閘道器才能傳輸資料,導致使用者無法同時傳輸不同感測裝置的生理數據、統整到感測融合軟體執行更精確的分析,並且傳輸至醫院,目前業界正在研擬如何整合這些通訊技術。

毫米波追蹤患者行為

毫米波雷達在當今主要應用在自駕技術與車聯網技術,專門從事定位功能與偵測駕駛者生命跡象,一般生活比較常用定位方式則是藍牙、Wi-Fi。

近期,業者開始將毫米波雷達搭配ToF感測轉移到醫療領域或長照機構,第一,提供照護人員了解病患在病房的狀況與追蹤病患行動,不需要時常巡房,當病患在房間內跌倒時,照護人員能夠從後台及時了解狀況並前往救援,以及追查突然失蹤的患者等;第二,毫米波偵測不像監視攝影機有侵犯隱私問題:第三,患者不需要額外穿戴任何裝置便能夠追蹤,提高患者的配合意願。

非接觸技術一直是醫療領域主要聚焦的議題,包括,人員流量監測和監控等,特別是在Covid-19出現後議題效應更明顯,目前開始鎖定在生理資訊感測應用方面。

目前,毫米波可以偵測到0.01mm的位移量,德州儀器嵌入式產品應用經理王盈傑表示,由於人在呼吸、心跳的時候,胸腔與背部都會有起伏,現今毫米波雷達的靈敏度已經能夠偵測這些生命跡象,來測知患者心率。

由於毫米波雷達是利用電磁波來感測人體,站在安全角度來看,在設計毫米波雷達感測器方面需要遵守相關法規與認證,例如:發射輻射能量上限值和人體吸收程度等。目前這項技術產學界都在研究,仍是新興感測技術,尚未拓展至產品階段。

多元感測應用加速推動遠端醫療 

當生理資訊感測應用場景越來越多元,使用者便能在居家檢測更多自我生理數值,以及加上AI技術的應用,感測裝置不僅能夠提供生理數據,也能夠評估使用者可能罹患某些慢性病或癌症的風險,提供預防功能。

ADI醫療消費業務系統應用經理俞毅剛(圖3)認為,隨著影像識別、AI技術、5G、IoT、雲端與邊緣運算等技術發展,能協助使用者提供智慧診療的功能,進而達成智慧醫療目的,因此,把具有醫規等級的智慧穿戴式裝置結合遠端醫療的使用將是下一個熱點。

圖3  ADI醫療消費業務系統應用經理俞毅剛表示受惠於感測技術、AI、IoT與通訊技術的進步,生理感測器已經達到智慧診療概念,進一步完成智慧醫療藍圖。

再加上近年社會也開始重視長照服務,在生理感測應用蓬勃發展日趨成熟與社會氛圍情況下,遠端醫療與精準醫療在近期呼聲越來越高,住在偏遠地區、難以行動的居家患者或照護機構利用感測設備來自行監測,將數據傳到醫院或是健康顧問公司。資策會MIC資訊電子產業研究中心資深產業分析師鄭凱安指出,遠端醫療與生理資訊感測裝置整合議題在台灣已經談了10幾年,尤其現在政府正在推動的長照2.0政策是整合最大契機。

另外,Covid-19造成全球醫療機構幾乎瀕臨崩潰,醫護人員壓力暴增。因此,在疫情期間重視醫療與看護的需求,包括長照、醫護、醫療設備到個人設備等,再加上非接觸生活,非接觸生理資訊感測器出現大量需求。從醫療角度來看,這些感測器減緩醫療與看護部分負擔,協助解決醫療問題。

在未來,醫療體系不僅能利用聯網生理感測裝置追蹤偏遠、行動不便患者情況,達到遠端醫療目的,也能利用穿戴裝置在緊急處置病患簡單快速量測病人,提高醫療效率。

 

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