穿戴醫(yī)療設(shè)備發(fā)展轉(zhuǎn)角 關(guān)鍵元件助陣

　　由于穿戴式醫(yī)療設(shè)備關(guān)鍵元件逐漸朝向高整合功能發(fā)展，并具抗電磁干擾的能力，將有助于可攜式醫(yī)療裝置符合各國法規(guī)的要求，滿足易使用、高安全性、小尺寸和低功耗等必備條件，進(jìn)而創(chuàng)造逐年出貨量翻倍的高成長力。

　　從過去單純的醫(yī)療行為到現(xiàn)今強(qiáng)調(diào)個人化服務(wù)的趨勢，醫(yī)療系統(tǒng)除提供原有的醫(yī)療過程外，現(xiàn)在亦希望能提升患者的生活品質(zhì)(QualityofLife，QoL)，有鑒于此，穿戴式裝置與遠(yuǎn)距個人化生理狀態(tài)的監(jiān)測便逐漸受到重視。

　　5年內(nèi)出貨量成長五倍穿戴式裝置市場后市看漲

　　依據(jù)研究機(jī)構(gòu)IMSResearch于2012年的報(bào)告指出，2011年時約有一千四百萬臺穿戴式智慧裝置被販?zhǔn)鄣绞澜绺鞯?，?016年時預(yù)估將成長到九千兩百五十萬臺，總銷售額超過6億美元，預(yù)計(jì)2011年至2016年年復(fù)合成長率(CAGR)可達(dá)50%以上，如圖1所示。在這波市場潮流下，穿戴式醫(yī)療裝置有機(jī)會成為新類型的醫(yī)療裝置，可供患者在不同環(huán)境下使用。

　　在穿戴式智慧型裝置上，可穿戴技術(shù)包括能長時間配戴在人體、先進(jìn)電路設(shè)計(jì)、無線傳輸和獨(dú)立處理能力，并能顯著提高用戶體驗(yàn)(UserExperience)。依據(jù)用途不同，穿戴式智慧裝置可分成四類，分別為健身與健康管理、衛(wèi)生保健與醫(yī)療、工業(yè)和軍事應(yīng)用和訊息娛樂系統(tǒng)。

　　健身與健康管理技術(shù)產(chǎn)品，可用于監(jiān)測活動和情感;而衛(wèi)生保健與醫(yī)療主要為監(jiān)測生命特征;工業(yè)和軍事應(yīng)用的可穿戴技術(shù)，用在軍事或工業(yè)環(huán)境中的即時數(shù)據(jù)接收和發(fā)送;而訊息娛樂系統(tǒng)技術(shù)，用于接收和傳輸即時訊息，娛樂和提升生活體驗(yàn)的目的。

　　健身與健康管理和衛(wèi)生保健與醫(yī)療兩類穿戴式智慧裝置，依JuniperResearch于2012年的報(bào)告指出，預(yù)估此二類產(chǎn)品于2017年時占穿戴式智慧裝置市占率超過八成，雖然健身與健康管理類裝置販?zhǔn)蹟?shù)量較多，但由于衛(wèi)生保健與醫(yī)療類裝置售價(jià)較高，因此衛(wèi)生保健與醫(yī)療類裝置總銷售金額較健身與健康管理類略高。

　　在健身與健康管理類方面，主要用途為運(yùn)動和活動追蹤，這類裝置通常具有時髦和時尚的外觀設(shè)計(jì)，因此受到廣大消費(fèi)者的青睞。依ABIResearch報(bào)告指出，預(yù)估至2013年有61%的穿戴式技術(shù)是應(yīng)用于運(yùn)動和活動追蹤;而在未來，此類裝置將與居家環(huán)境或家電控制結(jié)合，提供更加方便使用的情境。

　　另一方面，在衛(wèi)生保健與醫(yī)療類，穿戴式智慧裝置目前主要用途為連續(xù)性血糖與心率監(jiān)測，而另外相對較多產(chǎn)品為智慧型自動藥物輸送裝置，如與連續(xù)性血糖監(jiān)測結(jié)合的自動藥物輸送裝置或自動傳輸減輕疼痛藥物的裝置。市場普遍認(rèn)為有關(guān)此類穿戴式智慧裝置最大的潛在市場成長障礙，為技術(shù)的瓶頸和美國食品藥品管理局(FDA)的批準(zhǔn)。

　　然而，即使如此，F(xiàn)DA還是通過如Medtronic的MinimedParadigmReal-TimeInsulinPump這類的產(chǎn)品，一方面連續(xù)監(jiān)控血糖，一方面提供胰島素給病患，讓這些病患在胰島素的控制上，更具有便利性。

　　綜觀各大地區(qū)市場的趨勢，美國仍是目前穿戴式智慧裝置的最大市場，至2016年此一狀況仍不會改變;而歐洲則為第二大市場，特別是在保健和醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域。日本則依舊為另一主要消費(fèi)市場，但主要為訊息娛樂領(lǐng)域。

　　各國法規(guī)趨嚴(yán)穿戴式醫(yī)療元件朝高整合邁進(jìn)

　　一般而言，穿戴式醫(yī)療設(shè)備的關(guān)鍵元件，包含前端傳感器與感測控制電路、核心運(yùn)算單元、無線傳輸模組，以及人機(jī)顯示介面。此外，還包括為防止電磁干擾以符合醫(yī)療裝置高法規(guī)門檻的相關(guān)元件(圖2)。

　　感測器及感測控制電路負(fù)責(zé)感測外部訊號，以及搜集各類訊號的回饋。核心控制器負(fù)責(zé)訊號的處理、量測、分析，以及演算法的導(dǎo)入，最后再做出反應(yīng)。無線傳輸模組傳輸量測的結(jié)果到人機(jī)介面上，而人機(jī)介面現(xiàn)今已朝向智慧型裝置來發(fā)展。

　　為符合現(xiàn)今各國法規(guī)要求，以及更貼近使用者的穿戴式應(yīng)用，芯科實(shí)驗(yàn)室(SiliconLabs)提出可攜式的醫(yī)療裝置的特征，必須包含容易使用、高穩(wěn)定性與安全性、簡單且安全的連結(jié)、低功率消耗、可支援較寬的低電壓范圍、高量測準(zhǔn)確度、小尺寸(SmallFormFactor)，以及可負(fù)擔(dān)的價(jià)格(AffordableCost)。

　　前端感測模組及感測控制電路在精密制造、半導(dǎo)體制程和微機(jī)電技術(shù)的進(jìn)步之下，朝輕薄短小的尺寸持續(xù)演進(jìn)，這類的技術(shù)包含有加速度計(jì)、陀螺儀、溫度感測器、微型電極、微型光學(xué)元件、小型幫浦與壓脈帶、微型麥克風(fēng)和可撓性感測器等，有助于穿戴式裝置在醫(yī)療器材的觸身部位(AppliedPart)微小化實(shí)現(xiàn);如美商MC-10所發(fā)展的可撓式感測器，可貼附于人體皮膚上進(jìn)行生理訊號的量測。

　　在這個部分，也有相當(dāng)多的半導(dǎo)體公司整合前端感測器與擷取電路，如亞德諾(ADI)的ADXL327這類產(chǎn)品，除三軸加速度計(jì)的功能，并具有低耗能及高整合度的優(yōu)勢。

　　在感測控制電路上，根據(jù)應(yīng)用可能包含前級放大器、高解析度類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)、可調(diào)整的濾波器、數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動電路與回饋機(jī)制等(圖3)，傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備往往是以多顆不同功能的電子元件組成特定應(yīng)用的感測控制電路，但現(xiàn)今有不少業(yè)者投入專用于某一類型的醫(yī)療應(yīng)用的IC開發(fā)。

　　以德州儀器(TI)為例，該公司于2012年底提出的類比前端(AFE)4400/4490系列，即整合放大器(TransimpedanceAmplifier，TIA)、高解析度類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器、多工器、序列周邊介面(SerialPeripheralInterface，SPI)、時序控制(TimingControl)、數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器、發(fā)光二極體(LED)驅(qū)動電路及感測器狀態(tài)診斷電路等，整合成一顆前端IC，結(jié)合前端的感測器與后端的核心控制器后，即可用于生理光電訊號的量測，大幅減少獨(dú)立元件的使用。這類型的IC還包括德州儀器的ADS1293、AFE4300，以及亞德諾的AD8232等。

　　另一種全新型式的前端電路為可控制的類比電路元件，由于許多醫(yī)用感測器有著隨時間老化而改變特性的問題，瑞薩電子(RenesasElectronics)于2012年發(fā)表一種可由使用者調(diào)整的前端感測電路IC--智慧類比IC(SmartAnalogIC)RAA730500，不同于一般的前端電路固定的電路架構(gòu)，智慧類比IC可藉由外部控制來調(diào)整內(nèi)建的多工器以改變運(yùn)算放大器的內(nèi)部線路連結(jié)、調(diào)整放大倍率、內(nèi)建數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器改變偏壓或量測準(zhǔn)位等。

　　此外，由于醫(yī)療法規(guī)的要求，電性安全與電磁相容(EMC)性的標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)較一般消費(fèi)性電子來得高，因此如電磁波干擾防制等重要元件，也必須在前端感測控制電路設(shè)計(jì)中加以考量，目前如德州儀器等公司也有提供相關(guān)的元件用以改善EMC的干擾問題。

　　在核心控制器上，這10年來在半導(dǎo)體業(yè)者的全力投入下，核心控制器不論在速度、省電和封裝尺寸都有大幅的改進(jìn)。在穿戴式醫(yī)療設(shè)備的核心控制器的選用上，則以高效能周邊介面，以及功率消耗為其重要考量。

　　高效能介面主導(dǎo)可應(yīng)用的范圍，而功率消耗低則可減少電池的尺寸。根據(jù)市場調(diào)查與分析機(jī)構(gòu)Frost&Sullivan于2010年發(fā)表的報(bào)告顯示，個人化的醫(yī)療裝置是微控制器(MCU)未來五大應(yīng)用版圖之一;也因此，大量的半導(dǎo)體業(yè)者競相投入醫(yī)療應(yīng)用的微控制器開發(fā)，如德州儀器、亞德諾、飛思卡爾(Freescale)、意法半導(dǎo)體(ST)、瑞薩電子、恩智浦(NXP)、愛特梅爾(Atmel)和芯科實(shí)驗(yàn)室等，這些微控制器通常都具備低耗能及高整合周邊介面的特性，非常適合用于穿戴式器材的開發(fā)。

　　更重要的是，這些廠商也往往提供詳盡的設(shè)計(jì)參考文件，包含電路方塊圖及建議相關(guān)使用元件等。如飛思卡爾提供血壓、心率、血氧、活動、助聽器及居家健康網(wǎng)路等技術(shù)文件。

　　以血壓計(jì)為例，飛思卡爾先提供該醫(yī)療裝置的系統(tǒng)架構(gòu)、生理訊號量測上的原理，以及以該公司控制器為核心的電路方塊圖，再說明該控制器有哪些重要的功能及周邊介面，并對血壓計(jì)的設(shè)計(jì)提供一套完整的說明。

　　在核心控制器里，另一個規(guī)格日益提升的元件，系為快閃可程式記憶體的容量。事實(shí)上，隨著數(shù)位化資料量的上升，記憶體容量也有逐漸增加的趨勢，以供使用者能應(yīng)用到有更高資料量的醫(yī)療應(yīng)用上。

　　在穿戴型醫(yī)療裝置與智慧型裝置的連結(jié)上，第四代藍(lán)牙(Bluetooth4.0)是目前較新的一項(xiàng)近距離無線傳輸技術(shù)。藉由第四代藍(lán)牙技術(shù)的格式，符合ISO傳輸規(guī)范的低耗能傳輸模式也逐漸普及，特別是在第四代藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)中有專屬于生理訊號中血壓、血糖、體溫和心跳的協(xié)定(Profile)。

　　穿戴式生理活動監(jiān)測器開發(fā)商MisfitWearables創(chuàng)辦人之一SonnyVu，在接受AllThingsD訪談時表示，雖然沒有偉大的軟體就沒有完美的使用者經(jīng)驗(yàn)，但若不先把這些產(chǎn)品穿上身，就不會有開始、不會有資料;因此SonnyVu認(rèn)為，一切皆始于穿戴性。

　　結(jié)合智慧型行動裝置穿戴式醫(yī)療應(yīng)用便利性更高

　　過去不少類似產(chǎn)品以不同的形式用于個人健康管理、作息習(xí)慣或活動量的評估，如Nike+FuelBand、JawboneUp等，皆須面臨幾個共同的問題，例如如何取得生理訊號?如何呈現(xiàn)有意義的資訊?如何用更輕薄、更便利、更可靠和更智慧的方式來完成這些使用者需求?

　　追隨這些產(chǎn)品的腳步，可得到兩個觀察，其一是穿戴式設(shè)計(jì)蔚為風(fēng)潮，關(guān)鍵零組件是背后的推手。其次是智慧型行動裝置的蓬勃發(fā)展，所帶來的行動照護(hù)應(yīng)用。

　　從觸身部位的設(shè)計(jì)開始，到負(fù)責(zé)訊號擷取、記錄和傳輸?shù)年P(guān)鍵零組件，乃至智慧型行動裝置上的應(yīng)用程式(App)，每個環(huán)節(jié)都可能是產(chǎn)品創(chuàng)造市場差異的重要關(guān)鍵。

　　與過去的行動裝置不同，現(xiàn)今智慧型行動裝置除擁有強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，同時還整合各種感測元件并提供多種傳輸技術(shù)與日新月異的顯示螢?zāi)弧?/p>

　　尤其是推動這波革命的行動平臺，如蘋果(Apple)的iOS、Google的Android，以及社群網(wǎng)站如臉書(Facebook)的崛起，都直接促成行動健康照護(hù)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。行動裝置從早期單純做為資料傳輸?shù)闹薪槊襟w或儲存媒體，到現(xiàn)在不僅做為運(yùn)算、顯示，與使用者互動的工具，還能透過裝置內(nèi)建或外接元件，甚至是客制化裝置來完成產(chǎn)品開發(fā)。

　　在健康管理或醫(yī)療照護(hù)上，多數(shù)產(chǎn)品僅有應(yīng)用程式，利用行動平臺及智慧型行動裝置中的加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)，乃至于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)晶片始能運(yùn)作。因應(yīng)這些體感應(yīng)用的需求，許多元件也已透過微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)來提升整合度與精密度，達(dá)到輕薄短小的設(shè)計(jì)趨勢。

　　這類僅有應(yīng)用程式的產(chǎn)品五花八門，如應(yīng)用在睡眠管理上的“SleepasAndroid”，透過記錄睡眠中的鼾聲、環(huán)境聲響及體動來判斷合適的喚醒時間，并藉此協(xié)助使用者建立良好的睡眠作息習(xí)慣;例如應(yīng)用在運(yùn)動管理上的“Endomondo”，透過GPS記錄運(yùn)動路程、計(jì)算熱量消耗、設(shè)定間隔提示，以及結(jié)合心跳帶還可顯示心率;又如應(yīng)用在個人健康管理上的“InstantHeartRate”，利用行動裝置內(nèi)建的閃光燈及相機(jī)鏡頭，覆蓋在手指皮膚上，偵測因脈搏引起的影像亮度變化來評估使用者的脈搏速率，并可保存歷史記錄，做為個人化心率變化的參考依據(jù)。

　　許多時候，尤其是運(yùn)動時，人們不希望身上攜帶太多笨重的物品，因此一些高度整合的感測元件被用來設(shè)計(jì)獨(dú)立產(chǎn)品，并透過智慧型行動裝置呈現(xiàn)資訊與使用者互動。如MisfitShine透過極簡設(shè)計(jì)配戴在身上任何部位，來追蹤個人每天的活動量。類似的活動量記錄產(chǎn)品設(shè)計(jì)眾多，其在觸身部位的精簡設(shè)計(jì)與操控，以及運(yùn)動后在手機(jī)螢?zāi)簧辖o線連結(jié)以傳輸和管理資料的特殊技術(shù)，讓人耳目一新。

　　除活動量監(jiān)測，也有利用不同觸身部位來取得其他生理訊號以評估不同生理狀態(tài)的設(shè)計(jì);如在額頭量測腦波以實(shí)現(xiàn)個人化睡眠管理的“Zeo”;黏貼在胸前的整合型防水貼片“Metria”，可量測心電圖、呼吸率及作息型態(tài)以實(shí)現(xiàn)即時的生理狀態(tài)評估;以腕表呈現(xiàn)，整合加速計(jì)、皮膚阻抗量測、光學(xué)元件及溫度計(jì)來進(jìn)行生理評估的“Basis”等。

　　智慧型行動裝置也被應(yīng)用于醫(yī)療院所的多人資訊整合管理系統(tǒng)，如GE“AirStripPatientMonitoring”，同時與GE的其他患者監(jiān)測平臺相通，如CARESCAPEMonitorB850、CARESCAPEMonitorB650，以及Solar和Dash監(jiān)測器等，使醫(yī)師能透過iPhone或iPad遠(yuǎn)端存取近乎即時的患者生理資訊。另外也有利用iPhone或iPad做為互動介面的電子病歷(EMR)系統(tǒng)應(yīng)用，架構(gòu)在秀傳醫(yī)院內(nèi)的行動巡房服務(wù)即是一例。

　　充分利用智慧型行動裝置做為載具，儼然已成為降低成本、改善便利性、提升互動性和創(chuàng)造差異的手段。根據(jù)ABIResearch的分析，可穿戴式醫(yī)療器材在2016年將達(dá)到每年出貨一億套以上的水準(zhǔn)，如何在這波浪潮整合智慧型行動裝置、應(yīng)用程式、關(guān)鍵零組件以提供更好的穿戴體驗(yàn)，是每位產(chǎn)品開發(fā)者須重新思考的重要議題。

　　臺灣化工業(yè)、精密制造、電子資訊、微機(jī)電及半導(dǎo)體等產(chǎn)業(yè)在長期努力下，已具有國際優(yōu)勢與發(fā)展利基點(diǎn)，部分廠商亦積極切入穿戴式智慧裝置的市場。隨著智慧型通訊裝置與平板電腦的興起，并伴隨應(yīng)用程式服務(wù)模式的建立，更加提供穿戴式智慧裝置良好的發(fā)展平臺，未來可應(yīng)用程式生態(tài)系統(tǒng)和穿戴式智慧裝置的同步發(fā)展和整合技術(shù)，讓人類的生活，從居家、行動、社區(qū)和醫(yī)院間更加無縫。