生物貼片是附著在身上的感測器。使用生物貼片的患者或運動員活動範圍不受限於線路長度，也能連續或半連續地監控生理及心理參數，透過管控生理狀態，可反映與個人心理狀態有關的生理條件及認知功能。
膚電活動是神經系統活動的敏感度指數，神經末梢控制生理活動後，會產生各種反應，例如刺激汗腺，物理感測器也會察覺皮膚傳導能力的變化。由於能在臨床診療環境以外，長期監測生理及認知功能，就成為創新健康管理解決方案發展的基礎。
生物貼片感測資訊透過無線途徑，傳輸至閘道器，方便患者自行監控重要資訊，或由醫護人員遠端追蹤，且每片生物貼片因為只能使用一次，故可符合病患在醫院的安全需求，避免重覆使用導致感染。
心電圖貼片等重覆使用的醫療裝置即便經過完整清潔程序，依然內含抗生素無法消滅的病原體。此外，生物貼片封裝可增加皮膚直接接觸面積，資料蒐集能力因此優於其他可多次使用的穿戴式解決方案，且生物貼片的使用位置較廣，可減少因人體行動產生的雜訊。
生物貼片利用NFC傳輸感測資料
目前生物貼片解決方案有以感測轉發器如RF430FRL152H為基礎(圖1)，可先調節感測訊號，再處理資料，並透過近距離無線通訊(NFC)被動模式，傳輸至鄰近接收器，感測元件包括膚電反應(GSR)感測器及直接接觸皮膚的電熱調節器，另外還運用非反向放大器執行GSR訊號調節。
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| 圖1 以RF430FRL152H感測轉發器為基礎的評估板 |
感測轉發器的電源管理功能會判斷裝置為電池供電，或鄰近使用13.56MHz NFC共振頻率的射頻場，由於射頻場的電源足以支撐整個解決方案，故裝置會與射頻場電感耦合，停止電池供電，生物貼片只有鄰近射頻場時，才會蒐集感測資料。
GSR感測器線路如圖2所示，採用非反向放大器設計，在感測週期中監控皮膚阻抗，內建14位元Sigma-delta類比數位轉換器，可感測輸出訊號，乾燥皮膚阻抗介於1000歐姆(Ω)至10萬歐姆不等。
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| 圖2 使用非反向放大器設計，在感測週期內監測皮膚阻抗，並使用RF430FRL152H內建的14位元Sigma-delta類比數位轉換器，感測輸出訊號。 |
線路的傳輸功能如圖3所示，並依據預測範圍調節；輸入電阻代表預期皮膚阻抗，VF2則是14位元類比數位轉換器(ADC)感測到的輸出感測電壓，若調整R5與R9電阻數值，即可改變輸出反應。
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| 圖3 線路傳輸功能，圖中輸入電阻代表皮膚預期阻抗，VF2為14位元類比數位轉換器感測到的輸出感測電壓，若調整R5與R9電阻數值，即可改變輸出反應。 |
使用微量電流(2.4微安培)後，電熱調節器與參考電阻能測量皮膚溫度，並由Sigma-delta類比數位轉換器採取兩者電壓，對比參考電阻已知數值以及實際電流後，即可準確判斷電熱調節器數值及相關溫度數值。
選用FR 7013做基材 生物貼片原型彈性又耐用
圖4的生物貼片原型必須附著在人類皮膚上，故得兼顧彈性及耐用，因此市面上解決方案會選用FR 7013做為基材，因為相較於FR-4、FR-1、CEM-1或CEM-3，FR 7013更具備原型所需的耐用及彈性特質，GSR線路輸入點則位於貼片底部，是兩片方型的鍍金探測器，再搭配貼片底部的電熱調節器，即可測得溫度讀數。
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| 圖4 生物貼片原型 |
新款感測轉發器為GSR線路提供電源，其中的14位元類比數位轉換器感測類比GSR數值；GSR線路的輸出電壓擺幅取決於源極電壓，由於源極為3伏特(V)，GSR輸出可能在0~3伏特之間擺盪，故得在GSR線路輸上增加分壓器，在圖2標記為電阻R6與R7。分壓器可確保GSR線路輸出維持在類比數位轉換器範圍內。
Android手機/NFC生物貼片無縫傳輸資料
生物貼片完成後，在受試者身上驗證，GSR線路的探測點附著在受試者身上，再播放電影刺激情緒，監控生理反應，示波器與生物貼片Android應用程式都在電影動作場面開始前3分鐘，錄得感測資料，也都在場面結束3分鐘後停止。受試者的GSR反應呈現心理狀態變化，從情緒放鬆、緊繃再回歸半放鬆狀態，結果如圖5所示。
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| 圖5 受試者GSR反應呈現心理狀態變化，從情緒放鬆、緊繃再回歸半放鬆狀態。 |
Android應用程式與示波器的取樣速率分別為每秒一件與兩百五十件，圖5上為生物貼片Android應用程式資料，圖5下為示波器資料。示波器與分壓器線路相連，位於GSR類比訊號送至類比數位轉換器之前。
受試者原本情緒放鬆，動作場面播出後，皮膚傳導能力變化，隨著畫面刺激程度起伏不定，從圖5可見，皮膚電阻並未立刻回歸放鬆狀態，而是逐漸恢復正常，可能是生理反應對認知刺激的後效所致。
生物貼片通電、資料抽樣及傳輸至手機約需2秒鐘，取樣過程中，手機應接近生物貼片，確實達到電感耦合，即便在布料遮蓋下，應該還是能傳送GSR及溫度讀數，原型與Android手機的適當讀取距離約為2公分。
生物貼片設計原型必須應用於彈性基材，才能附著在皮膚上，包括感測轉發器、GSR、溫度與天線線路都確實能內建於單一軟性印刷電路板(PCB)中，GSR感測器與電熱調節器也的確能測量皮膚溫度。
Android應用程式開發完後，具備NFC功能的手機即可透過無線途徑，接受生物貼片傳輸的資料，並連結至物聯網內其他聯網裝置，藉由非侵入式機制，蒐集與生理壓力及認知刺激相關的生理資料，方便民眾自行監測個人重要資訊，並安全地分享給醫師或照護人員。
(本文作者皆任職於德州儀器)