醫療電子連結無線通訊 BAN催生健康管理

2007-09-06
無線通訊技術中的無線區域網路(WLAN)以及藍牙(Bluetooth)技術已高度成熟化;而超寬頻(Ultra Wide Band, UWB)也因歷經數年的焠鍊,步入產品化的階段,只差各國通訊政治上的調和;此外,新技術諸如毫米波等亦蓄勢待發,在在讓無線通訊應用的未來也更為樂觀。
資訊產品除了後PC時代如Apple TV、高畫質(HD)DVD播放器等應用以外,就是微細化工程及晶片整合,如超級行動電腦(UMPC)、極低功率的平台等。然而,若是結合多方面的領域,目標朝向數位健康或醫療的路途來說,也許就可以另外開闢一條康莊大道(圖1)。
圖1 多元化的無線通信技術,雖然將數位裝置複雜化,卻意外地開啟醫療電子的大門。

傳統產品融入電子儀器  

率先將慢跑鞋融入微控制器與感應器電子技術的是愛迪達(Adidas Salomon AG)於2004年12月所推出,定價三百美元的氣墊自動調整產品。先不談該產品的賣相與銷售成績好壞,該公司創立了一個創新的里程碑卻是事實。

稍後,其他追隨者包括蘋果(Apple)及耐吉(Nike),推出的產品(圖2)技術匯集了網路、軟硬體設計、低功率無線通訊技術甚至電源管理等。而其他公司,也陸續有健康保健(Health Care)、安全護身的產品出現,如卡西歐(Casio)將通訊技術導入手表(圖3)中,也算是一項代表。


圖2 「Nike+iPod 」的結合就是無線通訊的善用

圖3 Casio推出具有GPS機能之手表

有線連接的解放  

可以預見的是,數位時代的保健以及醫療電子,將會追隨無線通訊技術的進化,而進入前所未有的時代。技術的開發也期待會更加積極與活潑化,而不只是會製程微縮及系統單晶片(SoC)整合而已。這個新市場的生態系,從患者、醫療機構、系統整合廠商(System Integrator)、裝置製造商、半導體元件廠商還有通訊服務業者等,都讓相關產業更加活潑。其他包括寬頻業者及手機通訊業者等,都頗為積極。  

而上述領域也帶動技術開發原動力,如人體就可以築起人體區域網路(Body Area Network, BAN)。當前所注目的焦點即為在人體內安裝微小化感應器(Sensor),以蒐集生理資訊,再藉由無線通訊的技術,傳送到各項儀器,或是透過網路進行遠距醫療。尤其是手機與BAN的連結,更是被視為最具潛力的一大應用。一般認為,手機與人體形影不離,也具有多種無線通訊的能力,可以從終端連回醫療機構,再加上運算能力增強,同樣讓手機順理成章成為BAN的重要環節。  

應用於人體的BAN  

說到近距離的無線通訊技術,其實早就有資訊業者提出個人區域網路(Personal Area Network, PAN)的概念存在,並多以體外裝置互連為主要應用。至於BAN的理念則是將觸角延伸入體內,如心律調整器、發汗感應器、膠囊內視鏡、脈搏體溫感應器、血液流通感應器等,這些裝置分別安置在體內與體外。也因此,構成BAN的元素,可以歸納成可穿戴式(Wearable)及植入式(Implant)兩大類別。  

除了技術問題外,如何將費用降低,讓人人買得起,也是讓這些儀器與技術發揮最大功效的重心。最簡便的方式之一,就是確立國際標準化作業。此外,BAN技術的傳送距離從數十公分到數公尺不等,而傳送速度僅需數百kbit/s即可(圖4)。畢竟留置體內的機器必須仰賴著內置電池,長時間來取得身體內部的細節資訊,因此BAN最重要的要素,是必須具有極低的功率消耗。

圖4 BAN在眾多無線技術中之定位

而在各項應用之中,又以可穿戴式裝置所能夠採用的無線通訊技術最為多元。以利用2.4GHz頻帶的應用來說,除了藍牙、低功耗的Wibree,還有逐漸成形的ZigBee等。尤其是2006下半年,標準化作業明確的Wibree,最受到數位健康業者的關愛。未來在腕表、計步器納入以後,僅消耗毫瓦的層次,待機時的電力更是可以低到奈瓦的境界。  

前文提及蘋果與耐吉合作的「Nike+iPod Sport Kit」,採用低耗電無線技術,而提供相關技術的業者也積極開發Wibree無線IC。  

另外一方面,UWB也頗受矚目。由於只要將平均頻寬的電磁放射雜訊降低到-41.3dBm/MHz的水準,機器出錯的可能性就可以大幅降低,對於傳送接收電路的電力也能夠減少,頗有一舉兩得之效。  

雙向溝通提供更多病情資訊  

對須要進行精細人體探測的醫療手術來說,膠囊內視鏡就是頗受歡迎的一種應用方式。膠囊內視鏡是用來檢查消化器官用的一種攝影方式,配有LED照明及照相機,能夠拍攝消化腸道,並以無線的方式傳送到體外,為醫師與病患提供病情資訊。除了以更精準之外,同時可以減少病患的不適。  

今日的膠囊內視鏡直徑約9~11毫米,長度約23~26毫米,配有四十萬畫素鏡頭,感光元件可以是CCD或CMOS,而攝影的內容則以1.8GHz的電波送出到體外。不過,除了單向操作以外,如何從體外透過無線連結來控制體內膠囊內視鏡的動作,更是醫療單位下一步要走的方向。而如何確保該裝置除了正常運作之外,不會干擾到其他儀器,同樣是須要認真思考與克服的難題。  

低功耗應用受期待  

至於使用「微弱電力輸出」的短距離電波,也就是「特低消耗功率」的近距離無線通訊技術,也受到高度的期待。  

在醫療機構的作法上,為了取得病患的生理資訊,過去往往會透過有線的連接方式,造成病患的不便,而使用無線的方式就可以克服這道難題。同時,根據實驗性質導入的案例顯示,從醫護人員的角度來看,無線通訊技術連結了電子病歷,讓患者的用藥資料可以即時顯示,也改善了業務效率。目前,多家醫療機構也跟進,研究如何來取得安裝在身上的感應器資料。  

談無線通訊,就不能忽略手機對醫療裝置的電波影響。尤其病患與其家屬多半仍依賴手機,再加上醫療人員間的溝通也需要手機的協助,因而如何避免互相干擾,同樣是須要重視的議題。  

IEEE力促數位健康步入現實  

IEEE802.15委員會也針對了醫療、數位健康領域,在2007年1月啟動Medical BAN計畫,聚焦的重點是人體周邊以及人體內部無線通訊的實用化。由於攸關生命安全,故關於傳送方式及使用頻帶,目前尚沒有明確規範,仍期待廠商提出各種方案及更多電波對於人體影響的深入研究報告。其他包括電波傳送模型的解析及天線的開發等,也都是重要的課題。關於天線的形狀、增益以及阻抗值,如何達到最佳化的境界,也都需要更多的經驗累積與突破。  

手機對於人體的安全考量,規範了電磁波能量吸收比值(Specific Absorption Rate , SAR),手機業者有責任公開該數值,以確保使用者安全。最近,搭載WLAN的筆記型電腦,也公開了SAR值。而醫療電子裝置,當然也更需要類似的措施。  

此外,關於醫療用無線電波的法規,政府單位的配套也必須足夠完備,這個理想的桃花源,才有可能實現。

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