透視人體深層需求 生物感測革新穿戴式應用

目前常用的感測技術(shù)包括陀螺儀(Gyroscope)，可感測水平改變;三軸重力加速器(3 Axis Accelerometer)，用以感測動(dòng)作、走路或姿勢的變化;計步器(Pedometer)用來(lái)計算步數;全球衛星定位系統(GPS)接收器感測所在地理位置;以及麥克風(fēng)可接收語(yǔ)音或聲波等。

上述傳感器于市面上健康穿戴裝置的應用，大多是運動(dòng)、健身、減肥及睡眠品質(zhì)等生理量測。未來(lái)，健康穿戴裝置將陸續加入體溫、脈搏血氧濃度、心率、心電圖以及酒精濃度量測等，甚至還可望整合血壓、血糖等生理傳感器，以便隨時(shí)隨地追蹤健康狀況。

整合人體內/外訊息　心智感測技術(shù)貼近情感需求

下一代健康穿戴裝置的創(chuàng )意核心，在于要能打破穿戴裝置在身、心量測及分析的界線(xiàn)，不但可以量測生理訊號，還可以量測心理狀態(tài)。融合外在與內在量測結果的解決方案，可以擷取、量化、呈現和追蹤生/心理訊號，讓用戶(hù)更深入覺(jué)察自己的身心狀況。

穿戴技術(shù)的突破在于實(shí)現智慧化，除了結合巨量數據(Big Data)及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)達到情境感知(Context Awareness)目的之外，理解人們的心智活動(dòng)將可以改變人機(Human Computer Interface)互動(dòng)模式。

過(guò)去的情境感知著(zhù)重于行動(dòng)設備和外在環(huán)境的互動(dòng)，透過(guò)外在傳感器，例如提醒用戶(hù)所在地理位置等信息，來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)下一步所需;而更智慧化的穿戴技術(shù)則須要藉由感測心理訊號，以進(jìn)一步和人的內在情感互動(dòng)，例如用戶(hù)緊張時(shí)，裝置會(huì )提醒其放松心情，調節呼吸或播放紓壓音樂(lè )。

創(chuàng )新使用功能　強化穿戴式產(chǎn)品獨特性

腦電感測技術(shù)除了以心電芯片量測生理訊號，并透過(guò)算法得知心率、呼吸率及壓力程度等訊息之外，還可進(jìn)一步感測人的心智活動(dòng)，使穿戴裝置更智能、更人性化。盡管人機接口越來(lái)越發(fā)達，但人還是必須屈就于機器，因此腦機接口(Brain Computer Interface)技術(shù)的愿景便是讓機器能配合人類(lèi)，讀懂人類(lèi)的「心」。

穿戴產(chǎn)品若要實(shí)現差異化，須提供創(chuàng )新的使用情境。如配備心電芯片的穿戴裝置，除了可追蹤游戲玩家的健康狀況外，還可讓游戲更具挑戰性，如藉由心電感測技術(shù)記錄心跳頻率，一旦玩家因緊張而心跳加速則游戲困難度增加;或由腦電感測技術(shù)量測腦電波，經(jīng)由算法演繹，若情緒越放松則游戲主角的生命力恢復越快，反之注意力越不集中游戲困難度便增加。

再以汽車(chē)產(chǎn)業(yè)為例，現階段智能穿戴式產(chǎn)品主要以呈現汽車(chē)油耗、平均時(shí)速等駕駛必要信息為優(yōu)先，未來(lái)若結合心電感測技術(shù)記錄心電活力指數，將能避免因疲勞駕駛、超時(shí)工作所導致的意外。

解析數據意涵　算法實(shí)現多元感測應用

心電感測技術(shù)不只能用在量測心跳，真正的創(chuàng )新來(lái)自于提供精準的心電圖信息，并可進(jìn)一步呈現如心跳變異率(Heart Rate Variability, HRV)般兩次心跳時(shí)間的微小變化。

心電圖(ECG)提供清晰的電波圖，是偵測心跳變異率最精確的方法。最常用的心率變異分析是根據心電圖中的R波，計算出相鄰R波之間的時(shí)間間隔形成一個(gè)時(shí)間序列。一般而言，較高的HRV代表身體有著(zhù)較高的自主神經(jīng)調適能力，因此有較強健的身體。

目前常用的感測技術(shù)包括陀螺儀(Gyroscope)，可感測水平改變;三軸重力加速器(3 Axis Accelerometer)，用以感測動(dòng)作、走路或姿勢的變化;計步器(Pedometer)用來(lái)計算步數;全球衛星定位系統(GPS)接收器感測所在地理位置;以及麥克風(fēng)可接收語(yǔ)音或聲波等。

上述傳感器于市面上健康穿戴裝置的應用，大多是運動(dòng)、健身、減肥及睡眠品質(zhì)等生理量測。未來(lái)，健康穿戴裝置將陸續加入體溫、脈搏血氧濃度、心率、心電圖以及酒精濃度量測等，甚至還可望整合血壓、血糖等生理傳感器，以便隨時(shí)隨地追蹤健康狀況。

整合人體內/外訊息　心智感測技術(shù)貼近情感需求

下一代健康穿戴裝置的創(chuàng )意核心，在于要能打破穿戴裝置在身、心量測及分析的界線(xiàn)，不但可以量測生理訊號，還可以量測心理狀態(tài)。融合外在與內在量測結果的解決方案，可以擷取、量化、呈現和追蹤生/心理訊號，讓用戶(hù)更深入覺(jué)察自己的身心狀況。

穿戴技術(shù)的突破在于實(shí)現智慧化，除了結合巨量數據(Big Data)及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)達到情境感知(Context Awareness)目的之外，理解人們的心智活動(dòng)將可以改變人機(Human Computer Interface)互動(dòng)模式。

過(guò)去的情境感知著(zhù)重于行動(dòng)設備和外在環(huán)境的互動(dòng)，透過(guò)外在傳感器，例如提醒用戶(hù)所在地理位置等信息，來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)下一步所需;而更智慧化的穿戴技術(shù)則須要藉由感測心理訊號，以進(jìn)一步和人的內在情感互動(dòng)，例如用戶(hù)緊張時(shí)，裝置會(huì )提醒其放松心情，調節呼吸或播放紓壓音樂(lè )。

創(chuàng )新使用功能　強化穿戴式產(chǎn)品獨特性

腦電感測技術(shù)除了以心電芯片量測生理訊號，并透過(guò)算法得知心率、呼吸率及壓力程度等訊息之外，還可進(jìn)一步感測人的心智活動(dòng)，使穿戴裝置更智能、更人性化。盡管人機接口越來(lái)越發(fā)達，但人還是必須屈就于機器，因此腦機接口(Brain Computer Interface)技術(shù)的愿景便是讓機器能配合人類(lèi)，讀懂人類(lèi)的「心」。

穿戴產(chǎn)品若要實(shí)現差異化，須提供創(chuàng )新的使用情境。如配備心電芯片的穿戴裝置，除了可追蹤游戲玩家的健康狀況外，還可讓游戲更具挑戰性，如藉由心電感測技術(shù)記錄心跳頻率，一旦玩家因緊張而心跳加速則游戲困難度增加;或由腦電感測技術(shù)量測腦電波，經(jīng)由算法演繹，若情緒越放松則游戲主角的生命力恢復越快，反之注意力越不集中游戲困難度便增加。

再以汽車(chē)產(chǎn)業(yè)為例，現階段智能穿戴式產(chǎn)品主要以呈現汽車(chē)油耗、平均時(shí)速等駕駛必要信息為優(yōu)先，未來(lái)若結合心電感測技術(shù)記錄心電活力指數，將能避免因疲勞駕駛、超時(shí)工作所導致的意外。

解析數據意涵　算法實(shí)現多元感測應用

心電感測技術(shù)不只能用在量測心跳，真正的創(chuàng )新來(lái)自于提供精準的心電圖信息，并可進(jìn)一步呈現如心跳變異率(Heart Rate Variability, HRV)般兩次心跳時(shí)間的微小變化。

心電圖(ECG)提供清晰的電波圖，是偵測心跳變異率最精確的方法。最常用的心率變異分析是根據心電圖中的R波，計算出相鄰R波之間的時(shí)間間隔形成一個(gè)時(shí)間序列。一般而言，較高的HRV代表身體有著(zhù)較高的自主神經(jīng)調適能力，因此有較強健的身體。

許多科學(xué)研究顯示，高頻HRV與自主神經(jīng)系統中的副交感神經(jīng)活動(dòng)有關(guān)，而低頻段的HRV與交感神經(jīng)活動(dòng)有關(guān)。研究指出，副交感系統有助于身體的放松及恢復，而交感神經(jīng)系統則顯示人們在壓力下興奮或緊張的狀態(tài)。腦電感測技術(shù)算法可以解讀并反映人們心理狀態(tài)變化，例如專(zhuān)注度、放松度、熟悉度與困難度等。

健康穿戴可應用在過(guò)動(dòng)兒訓練游戲，也可以隨時(shí)隨地透過(guò)游戲互動(dòng)，達到放松療愈或者鍛煉大腦。透過(guò)量測人們的內在情緒，電影業(yè)者可得知觀(guān)眾的實(shí)際感受，電影情節將可能隨著(zhù)所有觀(guān)眾的心情而改變結局，未來(lái)還可以量測哪些電影橋段最受觀(guān)眾喜愛(ài)或激賞的程度。

熟悉指數能測量人們在執行任務(wù)過(guò)程中獲取知識及經(jīng)驗的程度，其工作內容是否已經(jīng)游刃有余。這個(gè)任務(wù)可以是指身體體力上的表現，也可以是指心理認知上的表現。透過(guò)這個(gè)算法，可以描述出學(xué)習及認知的進(jìn)步程度。

困難指數則測量人們在執行任務(wù)過(guò)程中大腦的努力程度，工作內容是否極具挑戰須要絞盡腦汁。利用這個(gè)算法，人們可以實(shí)時(shí)對任務(wù)的困難程度進(jìn)行評估及調整。此外，更多關(guān)于學(xué)習的困難與熟悉程度量測，或是針對職場(chǎng)技能需求而推出創(chuàng )新應用將陸續開(kāi)展，透過(guò)算法可改給未來(lái)更多的想象。

完整解決方案助力　健康穿戴產(chǎn)品加速上市

如何準確量測人們的心、腦健康，對人類(lèi)整體健康至關(guān)重要，因此穿戴式產(chǎn)品制造商無(wú)不積極搶進(jìn)。研究預估，到2017年全球將出現六億四千萬(wàn)個(gè)穿戴式設備，主要用來(lái)監測人類(lèi)的身心健康。涵蓋產(chǎn)品類(lèi)型從可穿戴的健康追蹤設備、放松冥想觀(guān)測設備、睡眠監測設備、心臟狀況追蹤設備，到智慧手表、眼鏡、手環(huán)以及衣帽等。

欲達成系統快速整合并縮短產(chǎn)品上市時(shí)程，需要完整的解決方案，也就是同時(shí)提供芯片、算法以及軟件開(kāi)發(fā)工具，甚至是云端整合服務(wù)(圖2)。完整解決方案應包含創(chuàng )新的感測技術(shù)、算法及低成本、低功耗的系統單芯片(SoC)。

以神念科技的SoC為例，其整合先進(jìn)的低噪聲模擬前端放大電路、16位高精確模擬數字轉換器(ADC)，以及高效能的數字信號處理器(DSP)，可以精準采集從微伏特(μV)到毫伏特(mV)的心電訊號;芯片內建高通濾波器、低通濾波器以及50Hz與60Hz的陷頻濾波器，除了可抗高頻噪聲，內建的直流漂移消除濾波器，可以進(jìn)一步消除因輸入端阻抗不匹配所產(chǎn)生的直流飄移。

心電感測SoC不須要額外整合其他被動(dòng)組件或是處理器，就能快速輸出心跳以及準確的初始心電訊號，并具備低功耗(整個(gè)心電系統功耗0.2毫安)、小體積(3毫米×3毫米)、零初始韌體配置需求以及快速達到穩態(tài)(1.5s)的特性。

腦電感測技術(shù)模塊包括TGAT芯片，該芯片是高度整合的SoC腦電傳感器，可以輸出專(zhuān)注、放松等參數，并進(jìn)行模數轉換，檢測接觸不良的異常狀態(tài)，同時(shí)過(guò)濾掉眼動(dòng)噪聲，及電路中50Hz和60Hz交流電訊號干擾。

軟/硬件高度整合　穿戴裝置開(kāi)創(chuàng )新商機

體積與功耗一直是穿戴式技術(shù)關(guān)注的議題，據國外研究指出，穿戴式產(chǎn)品的瓶頸在于耗電量，然而解決的關(guān)鍵卻在于算法而非神奇的電池，只要事先將原始數據做初步的運算就可以減少耗電，由此可見(jiàn)算法的重要。

在硬件方面，如何將有感的傳感器做到穿戴時(shí)無(wú)感，是制造商的一致目標，因而需要高整合、小尺寸的SoC。下一步則是提供殺手級應用，這主要來(lái)自經(jīng)過(guò)驗證的算法;最后，再整合感測芯片及算法，以搶得穿戴式市場(chǎng)先機。

穿戴技術(shù)的未來(lái)，在于內在認知與外在環(huán)境感測的結合、身體與心理量測的結合、理性與感性的結合，并可在穿戴式裝置之間以人性串連達到智慧感知。