可穿戴式醫療設備成趨勢 以生育監測器為例 解決您設計上的挑戰
- 周維棻
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醫療保健不再是醫院的專利，正與人們的日常生活將愈來愈緊密。醫療設備正逐漸從“可攜式”發展為“可穿戴式”，這意味著醫療設備能被長期、連續使用。本文將探討設計上所面臨的挑戰並提供解決之道。
電子技術的創新正在推動穿戴式醫療設備的發展，患者可長期將設備穿戴在身上，從而提高生活品質與醫療保健品質；連續血糖監測儀、可穿戴式心臟監護儀正是眾所皆知的代表。
排卵預測系統則是另一個例子，它為長期使用設備提供了全新的應用。該設備已被想要獲得最大懷孕機會的女性廣為使用；圖1是DuoFertility品牌的生育監測器，此設備整合了許多長期監測系統中不可缺少的特性，能精準的感測女性體內的排卵過程與基礎體溫的微小變化，及其之間的關連。準確測量數個月經週期內的體溫變化可有助於估算排卵日。
連續血糖監測儀最多連續工作1周，而生育監測設備上的感測器則可連續測量基礎體溫長達6個月。該設備使用此基礎體溫作為資訊進行預測，最多可提前6天預測出排卵活動；持續監測微小的體溫變化，可消除女性以手動量測體溫時可能產生的許多變數。
此類設備的設計人員所面臨的挑戰，在於如何設計出可連續佩戴數月的物理外形；在此案例中，解決方案是製造由2個部分組成的系統。硬幣大小的感測器元件通過具有生物相容性的黏性貼片，以附著在用戶身體上；掌上型閱讀器元件用於分析數據，並允許用戶將數據傳送給醫務專業人員進行深入分析。
功能上的劃分可使人體佩戴的感測器盡可能微小與輕便。監測器的感測器和閱讀器如圖2所示。另一個挑戰是預見用戶所處的所有環境以及用戶可能參與的活動。由於使用期長達數個月，可穿戴式設備必須適應各種情況，包括睡覺、運動、淋浴甚至是各種運動，
因此，無論是處於對開放狀態亦或是被用戶的胳膊覆蓋，感測器的設計及其包裝必需要能精確測量溫度。設計人員使用1對匹配的熱敏電阻來解決此問題，這兩個熱敏電阻可測量溫度及從感測器一側到另一側的熱流，使感測器的精度高達到千分之幾。此外，考慮到用戶的運動情境，便在感測器的設計中整合了加速計。
人體佩戴的電子元件必須非常微小，這意味著安裝電池的空間非常有限。因此，保持低功耗是感測器設計上需面臨的另一個挑戰。該感測器的設計人員使用8位元PIC16F886MCU的超低功耗喚醒功能，實現了最小電流消耗。當需要讀數時，感測器通電並進行測量，然後自動恢復到休眠模式，所有操作在1ms內完成。這個短暫的喚醒時間使設計人員可實現小於1µA的平均功耗，使用小型扣式CR1216鋰電池即可滿足設備連續工作時間長達6個月的要求。
最後，傳送測量數據是生育監測器的關鍵。此感測器模組使用RFID協定將數據發送到閱讀器，握住閱讀器靠近感測器即可啟動通訊。相對於數據測量，數據傳送需要更大的功耗，因此設計人員將感測器的溫度讀數保存在16MB的獨立快閃記憶體中，以最大節電方式來減少電流消耗。這樣閱讀器數據將每隔幾天上傳1次。
由於長期感測器收集的數據需經由通過培訓的人員來進行分析，因此，如何創造直接且高經濟效率的方法來將測量數據傳送到PC，並透過Internet進行通訊，也是設計中重要的考量事項。此設備的掌上型閱讀器目的即在此。
閱讀器通過採用nanoWatt技術的Microchip 16位元PIC24FJ256GB106 MCU內部的內建USB週邊將數據傳送到PC，用戶可透過前面板的觸控按鈕輸入附加數據，這些觸控按鈕通過MCU的內部充電時間測量單元(CTMU)和mTouc電容式觸控技術來達到實現。
設備製造商可與閱讀器進行通訊，以提高排卵預測的準確性，利用這一功能還可以在遠端重新設定MCU。憑藉其靈活性，製造商可以運行診斷並將軟體更新發送到監測系統。 隨著生物學、生理學、化學和電子學領域的不斷創新，旨在長期使用的可穿戴式醫療設備將提供新的診斷和治療選項，來應對更多的疾病和病症。(本文作者為Microchip Technology醫療產品部技術顧問Marten L. Smith，周維棻整理)
