鎖定健康照護物聯網商機　醫療穿戴式設計一步到位

2016-08-01

水沼仁志

2016年全球資通訊(ICT)主要產品智慧型手機市場漸趨飽和，使台灣系統製造商轉而鎖定「後手機時代」的第一個殺手級應用——智慧穿戴市場，期望將成為驅動消費電子產業持續成長的新動力，不僅吸引國外晶片大廠爭相投入，台灣半導體業者亦積極展開布局，切入相關裝置供應鏈的競爭也將更為激烈。

為了搶攻此商機，半導體廠商不只需要預測並分析該應用系統規格的發展方向，並適時開發出半導體設計及製造方面之差異化技術，才能找出自我競爭優勢與策略。本文將以東芝半導體集團的技術發展路線為例，試圖解構智慧穿戴系統的本質，再放在物聯網(IoT)/萬物聯網(IoE)時代的未來環境中做進一步的推衍，做為業界研發布局參考。

專業利基型穿戴裝置　結合醫療應用商機無限

如讀者所熟知，IoT/IoE指的就是將全球物件透過其內建之各式各樣的感測器連上網路，除了資料收集傳送之外，也將數據分析之結果回饋到各個物件並做進一步的智慧性控制，可望大幅度地提升生產效率以及服務品質。發展IoT/IoE為半導體產業帶來的經濟效果，也受到高度關注：假設一個連結元件須使用一組感應器，數量將有機會上看數百億個，如單一系統使用多組感應器，其需求數量更是難以想像。

連上網路的IoT機器種類繁多，包括隨身穿戴、汽車電腦、家電產品、工廠設備、交通工具、醫療儀器等。供應商著重的領域往往各自不同，例如東芝集團便格外關注穿戴應用市場，主要原因是人體工學和生醫感測之技術門檻相當高，因此一旦提出符合市場需求的解決方案之後，可望長期維持自身產品優勢與具差異化的市場定位，才能避免惡性的低價競爭。

穿戴裝置大致上分類成大眾消費型產品，以及專業性利基產品。前者與運動健身市場有關，後者則可歸屬於醫療保健市場。以東芝為例，目前較關注後者，其中特別注意行動醫療穿戴裝置及其應用服務產業的發展之路：隨著數位與行動技術發展，加上大數據分析技術成熟，以及病患與醫學資料庫的建立，大幅改變未來的醫療模式，如遠距醫療、行動醫療，穿戴式裝置及社群媒體亦將推動數位醫療的發展。台灣的生醫廠商也將積極整合行動技術、感測技術、資料分析及人工智慧等領域，提供更完整的醫療方案。

不少民間企業近年紛紛開始營運各種老人照護與病人看護服務單位(如養生村或護理之家)，推廣所謂的隨身健康照護和居家照護。這些服務業者利用穿戴技術，即時且不間斷地量測與紀錄各種生理訊號、身體姿態等，並透過無線技術傳送到雲端做進一步巨量資料分析之後，經由醫療專業人士進行健康諮詢提供給用戶，並將使用者的身體狀況追蹤警示功能結合全球衛星定位系統(GPS)或藍牙信標(Beacon)等戶內外定位服務，做為緊急救助的參考依據，進而提升其醫療保健服務的品質與效率。

Project ECG專案計畫　鎖定健康照護服務市場

例如今年台灣東芝電子零組件與台灣IBM和其代理商新華電腦建立合作聯盟，共同提出的Project ECG專案計畫，就是鎖定這個市場，提供以穿戴裝置與物聯網為基礎設施做為健康照護服務的參考示範平台，希望能協助台灣系統服務業者掌握其醫療保健市場需求。

物聯網的基礎架構可分為三個層次：感知層、網路層以及應用層，而Project ECG示範平台架構亦對應此三層，主要由三個環節所組成。第一是穿戴型心電圖感測器(ECG Wearable)，其功能為偵測即時心電圖波形；第二是物聯網閘道器(IoT Gateway)，主要功能為接受從感測器傳送的資料之後，將其通訊協定轉換成與IP網路互通之資料格式並再傳送至雲端；第三為位於雲端的心電圖健康指數分析軟體(Health-Index Analyzer)。

此軟體功能為利用台灣IBM所提供的人工智慧雲端平台Watson的深度學習演算法，首先藉由統計法個別抽出資料庫上的健康人士和病患的心電圖之特徵量，再將穿戴裝置使用者的心電圖跟兩者比較之後，將彼此的相似度轉換成使用者心臟功能的健康指數。此一示範平台預期今年第四季會開發完成。

讀者或許會認為智慧型手機可取代閘道器，懷疑廠商另行開發的必要性。但值得注意的是，醫療保健服務的特性為：穿戴裝置的使用者不等於其操作者。養生村或護理之家的利用者多半不是年輕人或上班族，而是銀髮族或行動不便者，不見得擅長操作智慧型手機的複雜人機介面，難以順利傳送個人生理資訊到雲端。此外智慧型手機的成本和通訊費用較為昂貴，並不適合用於醫療保健服務場所的閘道平台。相較之下，該閘道解決方案已進行成本之最佳化及傳送功能之自動化，以便滿足醫療保健服務的提供者及利用者需求。

此一參考平台運用東芝的穿戴相關半導體產品線，並示範在物聯網當中的實際應用範例。接下來首先介紹TZ1000系列產品線可應用於穿戴型心電圖感測器，隨後再介紹另外一種可應用於物聯網閘道器的TZ2100+TC35667雙晶片平台。

穿戴型心電圖感測器解決方案

去年東芝推出TZ1000系列，俗稱穿戴裝置應用處理器，擴充了其應用處理器產品線，進一步提出一套具彈性的產品開發環境。該新款應用處理器系列，除了在單一封裝內設置感測器、處理器、資料儲存快閃記憶體之外，亦有一個支援藍牙低功耗(Bluetooth Low-Energy)的控制器，可減少其周邊元件使得產品尺寸更為縮小，低功耗設計也有助於穿戴裝置之續航力。所有TZ1000系列之主要功能及預定量產時間如表1。

為了縮短採用TZ1000系列的穿戴型心電圖感測器所需的開發時間，東芝提供完整開發平台包括硬體開發工具(HDK)與軟體開發工具(SDK)。HDK由內建TZ1041系列的主機板及測量心電波形的生物感測器板所組成，產品開發商可加裝自行設計的生物感測器，達成感測器融合的需求。

SDK包括了驅動程式以及專用演算法。驅動程式負責控制TZ1041處理器內部各個元件與外部各種感測器；專用演算法則經由進一步的演算與校正，將感測器所收集的微弱電氣訊號轉換成心電圖。

TZ1000系列的HDK與SDK二者所組成適用於穿戴式裝置的開發平台，目的在為TZ1000系列提供一個系統解決方案，協助製造商提升智慧醫療穿戴裝置的開發速度與效率，利於推動個人化智慧醫療以及健康服務的應用發展。當使用TZ1000系列之HDK和SDK來開發一個使用於醫療保健之穿戴式裝置時，主要有以下三個系統效能上的優勢。

高精度AFE

將身體所發出的各種類比訊號轉換為數位訊號的高感度類比前端處理器(Analog Front End, AFE)，堪稱是TZ1000系列最大特徵。此處理器除可接受前述的ECG之外，也適用於脈搏(PPG)、體脂肪(BIA)、筋電圖(EMG)、眼電圖(EOG)感測器等。此外該AFE的彈性設計及後段微處理器的有效組合，使這顆晶片非常適合用於醫療水準的穿戴應用上。

其AFE元件包括三支高速輸入通道切換器、可配置式電流電壓增幅器、以及採用24位元高解析度ΔΣ演算法的類比數位轉換器。AFE的高速切換器能連接三個不同的感測器，同時處理訊號。該AFE之增幅器內建一組可變反饋電阻電容值，只要透過調整其參數而建立濾波功能，便可使其與任何感測器的電子特性配合使用。後段之類比數位轉換器能由ΔΣ調變演算法保持原有訊號之正確性，將此轉換成數位訊號。

低功耗處理器

穿戴裝置設計的必要條件之一，就是必須符合「永不斷線，時時感測」的消費者使用狀況，讓裝置上所有感測器能持續進行監控。另一方面，本文中討論的醫療保健專用之穿戴裝置，皆是為高性能、小尺寸、低功耗所設計，因此電池在極小的封裝裡需要達成足夠的產品續航力，這仍然是一個挑戰。

為了應付市場對省電功能的需求，TZ1000系列由東芝65奈米製程獨家製造，採用動態電壓調整技術，使開啟模式下的整體處理器之耗電量降至最低，同時也提升了計算性能(圖1)。其上搭載的ARM Cortex-M4處理器內核，可支援數位訊號處理器(DSP)指令集，整合浮點單元(Floating-Point Unit, FPU)，快閃記憶體最大容量為1MB，SRAM最大容量為288KB。該處理器執行EEMBC CoreMark取得68μA/MHz電流值(在周邊元件關閉的情況下)，同時最高工作頻率可達到48MHz，計算性能達到60DMIPS。當SRAM內容全部保存時，關機模式的電流很低，典型值僅為14.9μA。

圖1 穿戴型心電圖感測器解決方案之核心晶片TZ1000系列之主要功能

高整合度

開發一個穿戴裝置時，絕對不可少的三種元件，就是感測器、處理器及無線通訊控制器。該系列處理器中最高階款TZ1011在單一晶片內整合了資料通訊Bluetooth低功耗控制器，以及九軸運動微機電感測元件：三軸加速計、三軸陀螺儀、三軸磁力計。同時亦搭載AES256加解密引擎，以提供安全的無線通訊，將穿戴裝置所儲存的個人資料能安全地上傳到雲端。

此外，HDK和SDK搭配了兩種類比感測元件：光體積訊號變化(Photo Plethysmo Graph, PPG)感測器、心電圖感測器，提供便利且易於開發先進醫療健康穿戴裝置的解決方案。例如，此開發者以加速計所採取的動態向量數據，可分析與推測使用者的運動模式，從PPG或ECG所收集的脈搏資料除去該運動所造成的雜訊，將此能推算出精準又即時的心跳速率。

物聯網閘道器解決方案

Project ECG專案計畫的第二個研發項目為物聯網閘道平台之解決方案。該平台是由一顆嵌入式微處理器TZ2100，與另一顆低功耗藍牙控制晶片TC35667所組成的雙顆硬體架構，再加上以Linux為基礎之開源軟體結構，主要鎖定市場為設置於網路層的嵌入式物聯網閘道器。

如圖2所描述，TZ2100+TC35667系統平台預先整合了低功耗藍牙通訊協定之韌體層，並將其應用程式介面(API)用以SDK形式提供系統開發商，有助於縮短最終產品的開發期間。所有TZ2100與TC35667之主要功能及預定量產時間如表2。

圖2 Project ECG專案計畫系統架構示意圖

原則上，物聯網閘道平台必須滿足三大系統規格需求。第一，是結合異質性網路的能力。物聯網閘道器通常被放置於感知層與應用層的網路中間，當閘道器發現在感知層網路有資料準備傳送至另一端的應用層網路時，便會先將資料轉換成目的網路所使用的通訊協定，以確保對方收到資料後可以做進一步的資料處理。

第二，是資訊安全性。由於閘道器通常被放置於物聯網服務業者所營運的內部網路與外部網路的連接點，所以閘道器也是一種網路的入口或出口點，往往被要求提供比企業內部網路更嚴謹的資安管控能力，例如結合防火牆，入侵偵測、資料外洩防護等。

第三，閘道平台要具有擴充性。當前物聯網的通訊標準，宛如戰國時代群雄並起，不同的通訊媒介在實體層有著先天上的差異。在此種異質性物聯網路環境下，如何透過軟體技術與硬體搭配整合，做好頻寬聚合、管理分配與資料流量的負載平衡等工作，以確保消費者享受到好的服務品質與最佳體驗，將是一大考驗。為了符合前述的市場需求，TZ2100+TC35667開發參考方案便朝以下三個面向規畫功能。

感知層/應用層通訊介面

TZ2100+TC35667之開發環境以提供完善的感知層/應用層連線服務為第一考量，同時支援低功耗藍牙以及MQTT通訊協定。前者被使用於感知層之間的無線資料傳輸，後者則被使用在閘道器與IBM伺服器之間作為溝通之用，是專為物聯網設計的一種通訊協定，其驅動程式已設計為降低兩者通訊協定轉換時間到最低，以便確保從穿戴型心電圖感測器收集的資料在傳輸的過程中不會有延遲(Latency)或抖動(Jitter)的情況，能即時傳送到雲端並顯示其最新的心電圖波形。

網路安全功能

TZ2100系列中的高階產品TZ2101具備安全啟動(Secure Boot)功能，開機時就能預先檢查軟體是否含有數位簽章，以防止未被授權軟體在開機啟動程式期間被執行在閘道平台上，確保防止遭駭客安裝惡意程式侵入內部網路而破壞電腦系統。

閘道器製造商也能利用此安全啟動機制，提供可平行處理的兩個記憶體空間，亦即分為安全區域(Trusted Zone)和一般區域，將機密資料如使用者身分模組卡中的安全金鑰等儲存在安全區域，進而提高其隱匿性。

本處理器亦搭載AES256、RSA2048、SHA1-256、RNG等加解密硬體引擎，能將與TZ1000穿戴裝置之間傳輸的所有資訊均予以加密，提升無線通道的安全性(圖3)。

圖3 TZ1000 SDK架構圖

兼顧低成本與擴充性

TZ2100系列的微處理器採用安謀Cortex-A9核心，其頻率設計為300MHz到600MHz，不支援MPEG等影像聲音編碼器，遠不如一般家庭閘道器所使用的主流SoC規格。主要理由是物聯網閘道器的規格與以往家庭閘道器截然不同，傳送每筆生理資料所需要的頻寬不會很大，故不需壓縮解壓縮的動作，將原始資料直接處理即可，免除使用各種高成本的硬體加速器。

取而代之的是系統的擴充性，TZ2100的硬體結構可支援各種資料輸出入介面包括USB、SD-IO、Parallel Port等等，讓服務業者可根據業務上不同需求，隨時插入或移除異質性物聯網通訊介面卡如3G/LTE、6LowPAN/Thread、ZigBee、Z-Wave等，以便業者能夠自行應付有彈性的網路設計變更事宜(圖4)。