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LED/光感測器、MEMS感測器 擴展醫療智能化應用

  • DIGITIMES企劃

開發智慧醫療應用必要的用戶體徵檢測、分析應用需求,除了要將醫療級的監測設備微縮成穿戴化設計,也必須考量整體配戴的使用體驗與便利性,以新一代的LED搭配光感測元件,搭配MEMS微機電元器件建構的穿戴式智能設備擴展進階智慧醫療用途。

隨著少子化、人口老化問題日趨顯著,智慧醫療的進階應用市場越來越受重視,加上現有的數據運算、網路通訊、嵌入式運算等技術已趨於成熟,能否讓整個智慧醫療、遠距醫療更趨實用化,發展關鍵反而落在終端用戶的生物體徵辨識分析、環境分析等關鍵技術整合,透過精準判定穿戴者身上的感測器取得用戶生物體徵進行記錄、分析,同時掌握更趨精確的環境數值,也能讓遠端的醫療團隊或是AI系統取得更精確的評估資料,使智慧醫療的實用價值提高。

智慧醫療、遠距醫療需搭配進階感測技術,貼身擷取用戶生理數據,才能達到有效節省醫療成本效益,圖為Bosch Sensortec生理數據感測元件。Bosch Sensortec

智慧手錶/健康手環紛紛搭載LED心律/血氧感測模組,提供進階健康健康管理功能。EPSON

以LED搭配光感測器整合,建構心律感測解決方案。Modern Device

MEMS環境感測器應用越來越多元,圖為ST推出的溫/濕度環境感測元件。STMicroelectronics

透過穿戴設備、智能感測終端  節省醫療檢測成本

以智慧醫療的使用情境觀察,最耗資源、成本的醫療行為,通常是病患往返醫療院所進行常規檢查與病情掌控,而頻繁檢查雖可取得更趨正確、及時的用戶醫療資訊,但相對也耗用較多時間與醫療成本,而若常規檢查間隔時間拉得過長,雖然減省了往返醫療院所的時間浪費、降低醫療成本,但醫療數據也會因位檢測數據有限容易產生誤差。

如何紓解常規檢查的時間、成本與便利性問題,導入穿戴式生物體徵感測設備、搭配結合網際網路、精確的MEMS、SiP系統元件所建構的智慧醫療終端,也能取代部分常規檢查,同時帶入智慧醫療/遠距醫療的系統效益。

要建構一完善的智慧醫療系統,位於第一線的生物體徵感測與環境分析的功能精確度,即左右了智慧醫療系統的實用價值,畢竟在醫療終端若擷取分析的體徵數據不正確,也會造成後續一連串分析與處置失準,甚至讓整體遠距醫療系統失去效用,影響終端用戶對於醫療系統的信心。

在遠距醫療系統中,設置於用戶周邊或是穿戴在身上的體徵感測設備,可以即時監控使用者的體徵資訊,如心跳、血壓等數據,同時甚至還可將用戶週邊的生活環境現況,如空氣品質、噪音、溫度、濕度等影響健康的環境數據,透過感測元件收集對應數據,由系統彙整傳回智慧醫療系統進行數據分析。

LED搭配光感測器  建構精確心跳/血氧感測方案

尤其是在未來的家庭照護市場應用方面,如心跳、血氧或是更進階的生物體徵感測技術,也將持續發燒,同時結合穿戴式與嵌入式運算科技,讓生物體徵感測可以沒有時差、恆時進行更精準詳實的個人健康數據採集。以關鍵的心跳與血氧感測應用來說,即可運用LED/紅外線LED搭配對應的光學感測元件,即可構組趨於完善的心跳/血氧體徵感測需求,目前相關解決方案提供的感測數據精度,已能符合一般醫療檢測的基本需求,透過便捷的嵌入式系統整合、紀錄、上傳智慧醫療網路服務,能進一步簡化使用流程,讓應用系統更便利。

以目前熱門的運動手環、健康智慧手環、進階型智能表或運動紀錄表等產品,在2016年的智慧手表、智能手環出貨觀察,以全球出貨超過7,000萬台中,有超過9成產品已導入LED/光感測器的心跳脈搏感測模組,業界預估,隨著LED/光感測器組構的脈搏體徵感測解決方案成本越來越低,消費者也趨向優先選擇進階具脈搏感測技術支援的智能穿戴設備,這類解決方案的成本也會因用量增加大幅壓縮,同時支援脈搏、心跳感測分析的穿戴裝置也會成為市場主流。

感測精度提升  健康紀錄進階家庭醫療終端

而心跳感測除個人健康紀錄應用外,搭上智能運動量監控與分析的穿戴裝置應用趨勢,除了這類整合心跳脈搏感測模組設備會激增外,未來運動感測應用也會隨著市場需求趨於轉向更精確的居家照護應用用途,由於反射型的心跳、血氧感測元件或模組,主要是透過LED的光照射穿戴處皮膚、透過光感測器接收的反射訊號分析得出感測數據,以光學機制進行感測不僅可以較不受系統的電源雜訊干擾,同時,也不感測機制也較不受環境的電磁干擾,而感測機制為偵測分析表皮的血液流速分析心跳頻次,因此對於感測部位的限制相對較少、自由度高,製成穿戴設備可以設於手腕、頸部或是其他部位進行數據擷取。

反射型心跳、脈搏或血氧感測解決方案,在發展運動、個人健康管理應用有極大的效益,同時,若轉換場景用於家庭醫療護理等用途時,操作便利性與使用難度就成為設備導入關鍵,目前反射型心跳/血氧感測器監控測試機制近似,主要的差異在於光感應器搭配的LED光源差異。

目前主要有綠光、紅光與紅外線LED等光源選擇,綠光光源主要用來感測心跳用途,至於紅光/紅外線LED搭配微運用穿透光源的強度差異、經由光學感測器受光訊號處理分析,分析推算出血氧濃度數值,整合成系統模組已可設置於穿戴設備或是家庭護理監測設備。而反射型心跳/血氧感測器元件廠商有AMS-TAOS、Pixart、tBPC(Taiwan Biophotonic Co.)、光寶科技等,相關解決方案與系統設計已相當完整。

MEMS環境感測元件  擴展智慧醫療設備使用範疇

而跟醫療相關的半導體元件,其實也不用侷限僅在血壓、體溫、運動量等生理數據量測應用的元器件,反而要從更宏觀的角度檢視,在智慧醫療使用環境下,可能用上的各式MEMS元器件的整合需求。

以跟醫療核心感覺較不是那麼相關的麥克風元件來說,其實在智慧醫療場域也算是相當關鍵的重要元件,例如,智慧醫療目標客戶多半為中高年齡層的用戶,這些用戶必須透過遠距醫療系統與遠端醫療團隊進行視訊會診,這時年齡偏大的用戶可能會有重聽、口語表達不清問題,高效能、具優質環境抑噪功能的晶片式陣列麥克風元件就相當關鍵,透過MEMS整合的晶片式麥克風,可有效抑制環境雜訊,晶片式設計麥克風本體的耐用度也相對較高。

除第一線生理特徵感測與數據擷取解決方案外,以MEMS微機電方案整合的感測元件現在也成為居家健康護理的整合方向之一。以MEMS的用途來說,多數需要在封裝結構上開孔的設計方案,如麥克風、Ambient Light Sensor(環境光感測器)、Pressure Sensor(壓力計)、紫外光(UV)感測器、Gas Sensor(氣體感測器)、溫/濕度感測器等,也適合用來擴增智慧醫療應用終端的環境感測能力。

健康/環境數據紀錄擷取  結合智慧家庭提供宜居環境

因為透過穿戴設備上進行近身或貼身的生理健康狀態數據擷取外,個人健康照護很大一部分會跟用戶所處環境狀態息息相關,而在穿戴式裝置或是居家照護設備整合環境感測器、讓蒐集個人健康數值的同時也一併取得環境狀態的參照數據進行分析,為進階智慧醫療服務提供更完整全面的數據分析基礎。例如,構過陣列式MEMS麥克風,即可提供智慧醫療設備更清晰的遠端音訊溝通音質,避免環境噪音影響雙方對話清晰度,同時,本地端設備也能利用MEMS陣列麥克風設計語音指令辨識功能,讓高齡的用戶可用簡單語音即完成設備操作。

另在環境檢測分析數據方面,透過光感測器可以銜接如環境照明自動啟閉,改善生活的照明品質,而紫外光感測器可在外出前先行判斷戶外狀態,或設置穿戴設備上在暴露於紫外線危險環境時即時告知穿戴者進行對應處置,另外溫/濕度感測器可與家中智能空調、智慧物聯網聯網,協助在虛空調輔助時啟閉對應設備,或自動控制家中窗簾、通風設備,改善起居環境狀態,達到更舒適的居住品質,至於氣體感測器可在出現瓦斯外洩或是氣體、粉塵異常時,隨即通報用戶處置,或是連線至家庭保防網絡知會對應機關單位進行即時處置。

目前這類MEMS環境感測器元件,包括STMicroelectronics、Bosch Sensortec等重點MEMS元件供應商提供對應解決方案,MEMS晶圓代工業者也有提供以SiP封裝形式打造高度整合與客製化的環境感測器元件,例如整合MEMS麥克風/壓力/UV光/環境光感測器等綜合型的MEMS封裝元器件,讓發展穿戴或是居家護理智能設備商,可以用更簡單低成本的組建條件提供多元環境感測整合應用環境,甚至進一步還將整合如超夯的PM 2.5、CO(一氧化碳)或其他有害氣體的進階感測方案,擴充穿戴裝置或智慧醫療終端的環境感測進階功能,增加新產品的賣點。