穿戴醫療設備發(fā)展轉角 關(guān)鍵元件助陣

　　由于穿戴式醫療設備關(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，將有助于可攜式醫療裝置符合各國法規的要求，滿(mǎn)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(cháng)力。

　　從過(guò)去單純的醫療行為到現今強調個(gè)人化服務(wù)的趨勢，醫療系統除提供原有的醫療過(guò)程外，現在亦希望能提升患者的生活品質(zhì)(QualityofLife，QoL)，有鑒于此，穿戴式裝置與遠距個(gè)人化生理狀態(tài)的監測便逐漸受到重視。

　　5年內出貨量成長(cháng)五倍穿戴式裝置市場(chǎng)后市看漲

　　依據研究機構IMSResearch于2012年的報告指出，2011年時(shí)約有一千四百萬(wàn)臺穿戴式智慧裝置被販售到世界各地，而2016年時(shí)預估將成長(cháng)到九千兩百五十萬(wàn)臺，總銷(xiāo)售額超過(guò)6億美元，預計2011年至2016年年復合成長(cháng)率(CAGR)可達50%以上，如圖1所示。在這波市場(chǎng)潮流下，穿戴式醫療裝置有機會(huì )成為新類(lèi)型的醫療裝置，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(cháng)時(shí)間配戴在人體、先進(jìn)電路設計、無(wú)線(xiàn)傳輸和獨立處理能力，并能顯著(zhù)提高用戶(hù)體驗(UserExperience)。依據用途不同，穿戴式智慧裝置可分成四類(lèi)，分別為健身與健康管理、衛生保健與醫療、工業(yè)和軍事應用和訊息娛樂(lè )系統。

　　健身與健康管理技術(shù)產(chǎn)品，可用于監測活動(dòng)和情感;而衛生保健與醫療主要為監測生命特征;工業(yè)和軍事應用的可穿戴技術(shù)，用在軍事或工業(yè)環(huán)境中的即時(shí)數據接收和發(fā)送;而訊息娛樂(lè )系統技術(shù)，用于接收和傳輸即時(shí)訊息，娛樂(lè )和提升生活體驗的目的。

　　健身與健康管理和衛生保健與醫療兩類(lèi)穿戴式智慧裝置，依JuniperResearch于2012年的報告指出，預估此二類(lèi)產(chǎn)品于2017年時(shí)占穿戴式智慧裝置市占率超過(guò)八成，雖然健身與健康管理類(lèi)裝置販售數量較多，但由于衛生保健與醫療類(lèi)裝置售價(jià)較高，因此衛生保健與醫療類(lèi)裝置總銷(xiāo)售金額較健身與健康管理類(lèi)略高。

　　在健身與健康管理類(lèi)方面，主要用途為運動(dòng)和活動(dòng)追蹤，這類(lèi)裝置通常具有時(shí)髦和時(shí)尚的外觀(guān)設計，因此受到廣大消費者的青睞。依ABIResearch報告指出，預估至2013年有61%的穿戴式技術(shù)是應用于運動(dòng)和活動(dòng)追蹤;而在未來(lái)，此類(lèi)裝置將與居家環(huán)境或家電控制結合，提供更加方便使用的情境。

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

　　然而，即使如此，FDA還是通過(guò)如Medtronic的MinimedParadigmReal-TimeInsulinPump這類(lèi)的產(chǎn)品，一方面連續監控血糖，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(guān)各大地區市場(chǎng)的趨勢，美國仍是目前穿戴式智慧裝置的最大市場(chǎng)，至2016年此一狀況仍不會(huì )改變;而歐洲則為第二大市場(chǎng)，特別是在保健和醫療應用領(lǐng)域。日本則依舊為另一主要消費市場(chǎng)，但主要為訊息娛樂(lè )領(lǐng)域。

　　各國法規趨嚴穿戴式醫療元件朝高整合邁進(jìn)

　　一般而言，穿戴式醫療設備的關(guān)鍵元件，包含前端傳感器與感測控制電路、核心運算單元、無(wú)線(xiàn)傳輸模組，以及人機顯示介面。此外，還包括為防止電磁干擾以符合醫療裝置高法規門(mén)檻的相關(guān)元件(圖2)。

　　感測器及感測控制電路負責感測外部訊號，以及搜集各類(lèi)訊號的回饋。核心控制器負責訊號的處理、量測、分析，以及演算法的導入，最后再做出反應。無(wú)線(xiàn)傳輸模組傳輸量測的結果到人機介面上，而人機介面現今已朝向智慧型裝置來(lái)發(fā)展。

　　為符合現今各國法規要求，以及更貼近使用者的穿戴式應用，芯科實(shí)驗室(SiliconLabs)提出可攜式的醫療裝置的特征，必須包含容易使用、高穩定性與安全性、簡(jiǎn)單且安全的連結、低功率消耗、可支援較寬的低電壓范圍、高量測準確度、小尺寸(SmallFormFactor)，以及可負擔的價(jià)格(AffordableCost)。

　　前端感測模組及感測控制電路在精密制造、半導體制程和微機電技術(shù)的進(jìn)步之下，朝輕薄短小的尺寸持續演進(jìn)，這類(lèi)的技術(shù)包含有加速度計、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療器材的觸身部位(AppliedPart)微小化實(shí)現;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(gè)部分，也有相當多的半導體公司整合前端感測器與擷取電路，如亞德諾(ADI)的ADXL327這類(lèi)產(chǎn)品，除三軸加速度計的功能，并具有低耗能及高整合度的優(yōu)勢。

　　在感測控制電路上，根據應用可能包含前級放大器、高解析度類(lèi)比數位轉換器(ADC)、可調整的濾波器、數位類(lèi)比轉換器和驅動(dòng)電路與回饋機制等(圖3)，傳統醫療設備往往是以多顆不同功能的電子元件組成特定應用的感測控制電路，但現今有不少業(yè)者投入專(zhuān)用于某一類(lèi)型的醫療應用的IC開(kāi)發(fā)。

　　以德州儀器(TI)為例，該公司于2012年底提出的類(lèi)比前端(AFE)4400/4490系列，即整合放大器(TransimpedanceAmplifier，TIA)、高解析度類(lèi)比數位轉換器、多工器、序列周邊介面(SerialPeripheralInterface，SPI)、時(shí)序控制(TimingControl)、數位類(lèi)比轉換器、發(fā)光二極體(LED)驅動(dòng)電路及感測器狀態(tài)診斷電路等，整合成一顆前端IC，結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，大幅減少獨立元件的使用。這類(lèi)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(lèi)比電路元件，由于許多醫用感測器有著(zhù)隨時(shí)間老化而改變特性的問(wèn)題，瑞薩電子(RenesasElectronics)于2012年發(fā)表一種可由使用者調整的前端感測電路IC--智慧類(lèi)比IC(SmartAnalogIC)RAA730500，不同于一般的前端電路固定的電路架構，智慧類(lèi)比IC可藉由外部控制來(lái)調整內建的多工器以改變運算放大器的內部線(xiàn)路連結、調整放大倍率、內建數位類(lèi)比轉換器改變偏壓或量測準位等。

　　此外，由于醫療法規的要求，電性安全與電磁相容(EMC)性的標準，遠較一般消費性電子來(lái)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計中加以考量，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(wèn)題。

　　在核心控制器上，這10年來(lái)在半導體業(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)。在穿戴式醫療設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。

　　高效能介面主導可應用的范圍，而功率消耗低則可減少電池的尺寸。根據市場(chǎng)調查與分析機構Frost&Sullivan于2010年發(fā)表的報告顯示，個(gè)人化的醫療裝置是微控制器(MCU)未來(lái)五大應用版圖之一;也因此，大量的半導體業(yè)者競相投入醫療應用的微控制器開(kāi)發(fā)，如德州儀器、亞德諾、飛思卡爾(Freescale)、意法半導體(ST)、瑞薩電子、恩智浦(NXP)、愛(ài)特梅爾(Atmel)和芯科實(shí)驗室等，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(kāi)發(fā)。

　　更重要的是，這些廠(chǎng)商也往往提供詳盡的設計參考文件，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(dòng)、助聽(tīng)器及居家健康網(wǎng)路等技術(shù)文件。

　　以血壓計為例，飛思卡爾先提供該醫療裝置的系統架構、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(shuō)明該控制器有哪些重要的功能及周邊介面，并對血壓計的設計提供一套完整的說(shuō)明。

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

　　在穿戴型醫療裝置與智慧型裝置的連結上，第四代藍牙(Bluetooth4.0)是目前較新的一項近距離無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)。藉由第四代藍牙技術(shù)的格式，符合ISO傳輸規范的低耗能傳輸模式也逐漸普及，特別是在第四代藍牙標準中有專(zhuān)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(dòng)監測器開(kāi)發(fā)商MisfitWearables創(chuàng )辦人之一SonnyVu，在接受AllThingsD訪(fǎng)談時(shí)表示，雖然沒(méi)有偉大的軟體就沒(méi)有完美的使用者經(jīng)驗，但若不先把這些產(chǎn)品穿上身，就不會(huì )有開(kāi)始、不會(huì )有資料;因此SonnyVu認為，一切皆始于穿戴性。

　　結合智慧型行動(dòng)裝置穿戴式醫療應用便利性更高

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

　　追隨這些產(chǎn)品的腳步，可得到兩個(gè)觀(guān)察，其一是穿戴式設計蔚為風(fēng)潮，關(guān)鍵零組件是背后的推手。其次是智慧型行動(dòng)裝置的蓬勃發(fā)展，所帶來(lái)的行動(dòng)照護應用。

　　從觸身部位的設計開(kāi)始，到負責訊號擷取、記錄和傳輸的關(guān)鍵零組件，乃至智慧型行動(dòng)裝置上的應用程式(App)，每個(gè)環(huán)節都可能是產(chǎn)品創(chuàng )造市場(chǎng)差異的重要關(guān)鍵。

　　與過(guò)去的行動(dòng)裝置不同，現今智慧型行動(dòng)裝置除擁有強大的運算處理能力，同時(shí)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幕。

　　尤其是推動(dòng)這波革命的行動(dòng)平臺，如蘋(píng)果(Apple)的iOS、Google的Android，以及社群網(wǎng)站如臉書(shū)(Facebook)的崛起，都直接促成行動(dòng)健康照護產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。行動(dòng)裝置從早期單純做為資料傳輸的中介媒體或儲存媒體，到現在不僅做為運算、顯示，與使用者互動(dòng)的工具，還能透過(guò)裝置內建或外接元件，甚至是客制化裝置來(lái)完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

　　在健康管理或醫療照護上，多數產(chǎn)品僅有應用程式，利用行動(dòng)平臺及智慧型行動(dòng)裝置中的加速度計、陀螺儀、磁力計，乃至于全球衛星定位系統(GPS)晶片始能運作。因應這些體感應用的需求，許多元件也已透過(guò)微機電系統(MEMS)技術(shù)來(lái)提升整合度與精密度，達到輕薄短小的設計趨勢。

　　這類(lèi)僅有應用程式的產(chǎn)品五花八門(mén)，如應用在睡眠管理上的“SleepasAndroid”，透過(guò)記錄睡眠中的鼾聲、環(huán)境聲響及體動(dòng)來(lái)判斷合適的喚醒時(shí)間，并藉此協(xié)助使用者建立良好的睡眠作息習慣;例如應用在運動(dòng)管理上的“Endomondo”，透過(guò)GPS記錄運動(dòng)路程、計算熱量消耗、設定間隔提示，以及結合心跳帶還可顯示心率;又如應用在個(gè)人健康管理上的“InstantHeartRate”，利用行動(dòng)裝置內建的閃光燈及相機鏡頭，覆蓋在手指皮膚上，偵測因脈搏引起的影像亮度變化來(lái)評估使用者的脈搏速率，并可保存歷史記錄，做為個(gè)人化心率變化的參考依據。

　　許多時(shí)候，尤其是運動(dòng)時(shí)，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(lái)設計獨立產(chǎn)品，并透過(guò)智慧型行動(dòng)裝置呈現資訊與使用者互動(dòng)。如MisfitShine透過(guò)極簡(jiǎn)設計配戴在身上任何部位，來(lái)追蹤個(gè)人每天的活動(dòng)量。類(lèi)似的活動(dòng)量記錄產(chǎn)品設計眾多，其在觸身部位的精簡(jiǎn)設計與操控，以及運動(dòng)后在手機螢幕上建立無(wú)線(xiàn)連結以傳輸和管理資料的特殊技術(shù)，讓人耳目一新。

　　除活動(dòng)量監測，也有利用不同觸身部位來(lái)取得其他生理訊號以評估不同生理狀態(tài)的設計;如在額頭量測腦波以實(shí)現個(gè)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)現即時(shí)的生理狀態(tài)評估;以腕表呈現，整合加速計、皮膚阻抗量測、光學(xué)元件及溫度計來(lái)進(jìn)行生理評估的“Basis”等。

　　智慧型行動(dòng)裝置也被應用于醫療院所的多人資訊整合管理系統，如GE“AirStripPatientMonitoring”，同時(shí)與GE的其他患者監測平臺相通，如CARESCAPEMonitorB850、CARESCAPEMonitorB650，以及Solar和Dash監測器等，使醫師能透過(guò)iPhone或iPad遠端存取近乎即時(shí)的患者生理資訊。另外也有利用iPhone或iPad做為互動(dòng)介面的電子病歷(EMR)系統應用，架構在秀傳醫院內的行動(dòng)巡房服務(wù)即是一例。

　　充分利用智慧型行動(dòng)裝置做為載具，儼然已成為降低成本、改善便利性、提升互動(dòng)性和創(chuàng )造差異的手段。根據ABIResearch的分析，可穿戴式醫療器材在2016年將達到每年出貨一億套以上的水準，如何在這波浪潮整合智慧型行動(dòng)裝置、應用程式、關(guān)鍵零組件以提供更好的穿戴體驗，是每位產(chǎn)品開(kāi)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、微機電及半導體等產(chǎn)業(yè)在長(cháng)期努力下，已具有國際優(yōu)勢與發(fā)展利基點(diǎn)，部分廠(chǎng)商亦積極切入穿戴式智慧裝置的市場(chǎng)。隨著(zhù)智慧型通訊裝置與平板電腦的興起，并伴隨應用程式服務(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(lái)可應用程式生態(tài)系統和穿戴式智慧裝置的同步發(fā)展和整合技術(shù)，讓人類(lèi)的生活，從居家、行動(dòng)、社區和醫院間更加無(wú)縫。