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因自我身心狀況量測成為全球趨勢，身心健康相關的穿戴裝置遂快速興起，而將既有傳感器整合在可穿戴設備上的做法，已經蔚為風潮 作者：楊士菁 神念科技事業開發經理 目前常用的感測技術包括陀螺儀(Gyroscope)，可感測水平改變；三軸重力加速器(3 Axis Accelerometer)，用以感測動作、走路或姿勢的變化；計步器(Pedometer)用來計算步數；全球衛星定位系統(GPS)接收器感測所在地理位置；以及麥克風可接收語音或聲波等。 上述傳感器于市面上健康穿戴裝置的應用，大多是運動、健身、減肥及睡眠品質等生理量測。未來，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，以便隨時隨地追蹤健康狀況。 整合人體內/外訊息 心智感測技術貼近情感需求 下一代健康穿戴裝置的創意核心，在于要能打破穿戴裝置在身、心量測及分析的界線，不但可以量測生理訊號，還可以量測心理狀態。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，讓用戶更深入覺察自己的身心狀況。 穿戴技術的突破在于實現智慧化，除了結合巨量數據(Big Data)及物聯網(IoT)達到情境感知(Context Awareness)目的之外，理解人們的心智活動將可以改變人機(Human Computer Interface)互動模式。 過去的情境感知著重于行動設備和外在環境的互動，透過外在傳感器，例如提醒用戶所在地理位置等信息，來滿足用戶下一步所需；而更智慧化的穿戴技術則須要藉由感測心理訊號，以進一步和人的內在情感互動，例如用戶緊張時，裝置會提醒其放松心情，調節呼吸或播放紓壓音樂。 創新使用功能 強化穿戴式產品獨特性 腦電感測技術除了以心電芯片量測生理訊號，并透過算法得知心率、呼吸率及壓力程度等訊息之外，還可進一步感測人的心智活動，使穿戴裝置更智能、更人性化。盡管人機接口越來越發達，但人還是必須屈就于機器，因此腦機接口(Brain Computer Interface)技術的愿景便是讓機器能配合人類，讀懂人類的「心」。 穿戴產品若要實現差異化，須提供創新的使用情境。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；或由腦電感測技術量測腦電波，經由算法演繹，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。 再以汽車產業為例，現階段智能穿戴式產品主要以呈現汽車油耗、平均時速等駕駛必要信息為優先，未來若結合心電感測技術記錄心電活力指數，將能避免因疲勞駕駛、超時工作所導致的意外。 解析數據意涵 算法實現多元感測應用 心電感測技術不只能用在量測心跳，真正的創新來自于提供精準的心電圖信息，并可進一步呈現如心跳變異率(Heart Rate Variability, HRV)般兩次心跳時間的微小變化。 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波之間的時間間隔形成一個時間序列。一般而言，較高的HRV代表身體有著較高的自主神經調適能力，因此有較強健的身體。 目前常用的感測技術包括陀螺儀(Gyroscope)，可感測水平改變；三軸重力加速器(3 Axis Accelerometer)，用以感測動作、走路或姿勢的變化；計步器(Pedometer)用來計算步數；全球衛星定位系統(GPS)接收器感測所在地理位置；以及麥克風可接收語音或聲波等。 上述傳感器于市面上健康穿戴裝置的應用，大多是運動、健身、減肥及睡眠品質等生理量測。未來，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，以便隨時隨地追蹤健康狀況。 整合人體內/外訊息 心智感測技術貼近情感需求 下一代健康穿戴裝置的創意核心，在于要能打破穿戴裝置在身、心量測及分析的界線，不但可以量測生理訊號，還可以量測心理狀態。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，讓用戶更深入覺察自己的身心狀況。 穿戴技術的突破在于實現智慧化，除了結合巨量數據(Big Data)及物聯網(IoT)達到情境感知(Context Awareness)目的之外，理解人們的心智活動將可以改變人機(Human Computer Interface)互動模式。 過去的情境感知著重于行動設備和外在環境的互動，透過外在傳感器，例如提醒用戶所在地理位置等信息，來滿足用戶下一步所需；而更智慧化的穿戴技術則須要藉由感測心理訊號，以進一步和人的內在情感互動，例如用戶緊張時，裝置會提醒其放松心情，調節呼吸或播放紓壓音樂。 創新使用功能 強化穿戴式產品獨特性 腦電感測技術除了以心電芯片量測生理訊號，并透過算法得知心率、呼吸率及壓力程度等訊息之外，還可進一步感測人的心智活動，使穿戴裝置更智能、更人性化。盡管人機接口越來越發達，但人還是必須屈就于機器，因此腦機接口(Brain Computer Interface)技術的愿景便是讓機器能配合人類，讀懂人類的「心」。 穿戴產品若要實現差異化，須提供創新的使用情境。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；或由腦電感測技術量測腦電波，經由算法演繹，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。 再以汽車產業為例，現階段智能穿戴式產品主要以呈現汽車油耗、平均時速等駕駛必要信息為優先，未來若結合心電感測技術記錄心電活力指數，將能避免因疲勞駕駛、超時工作所導致的意外。 解析數據意涵 算法實現多元感測應用 心電感測技術不只能用在量測心跳，真正的創新來自于提供精準的心電圖信息，并可進一步呈現如心跳變異率(Heart Rate Variability, HRV)般兩次心跳時間的微小變化。 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波之間的時間間隔形成一個時間序列。一般而言，較高的HRV代表身體有著較高的自主神經調適能力，因此有較強健的身體。 許多科學研究顯示，高頻HRV與自主神經系統中的副交感神經活動有關，而低頻段的HRV與交感神經活動有關。研究指出，副交感系統有助于身體的放松及恢復，而交感神經系統則顯示人們在壓力下興奮或緊張的狀態。腦電感測技術算法可以解讀并反映人們心理狀態變化，例如專注度、放松度、熟悉度與困難度等。 健康穿戴可應用在過動兒訓練游戲，也可以隨時隨地透過游戲互動，達到放松療愈或者鍛煉大腦。透過量測人們的內在情緒，電影業者可得知觀眾的實際感受，電影情節將可能隨著所有觀眾的心情而改變結局，未來還可以量測哪些電影橋段最受觀眾喜愛或激賞的程度。 熟悉指數能測量人們在執行任務過程中獲取知識及經驗的程度，其工作內容是否已經游刃有余。這個任務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。透過這個算法，可以描述出學習及認知的進步程度。 困難指數則測量人們在執行任務過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。利用這個算法，人們可以實時對任務的困難程度進行評估及調整。此外，更多關于學習的困難與熟悉程度量測，或是針對職場技能需求而推出創新應用將陸續開展，透過算法可改給未來更多的想象。 完整解決方案助力 健康穿戴產品加速上市 如何準確量測人們的心、腦健康，對人類整體健康至關重要，因此穿戴式產品制造商無不積極搶進。研究預估，到2017年全球將出現六億四千萬個穿戴式設備，主要用來監測人類的身心健康。涵蓋產品類型從可穿戴的健康追蹤設備、放松冥想觀測設備、睡眠監測設備、心臟狀況追蹤設備，到智慧手表、眼鏡、手環以及衣帽等。 欲達成系統快速整合并縮短產品上市時程，需要完整的解決方案，也就是同時提供芯片、算法以及軟件開發工具，甚至是云端整合服務(圖2)。完整解決方案應包含創新的感測技術、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，可以進一步消除因輸入端阻抗不匹配所產生的直流飄移。 心電感測SoC不須要額外整合其他被動組件或是處理器，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(<1.5s)的特性。 腦電感測技術模塊包括TGAT芯片，該芯片是高度整合的SoC腦電傳感器，可以輸出專注、放松等參數，并進行模數轉換，檢測接觸不良的異常狀態，同時過濾掉眼動噪聲，及電路中50Hz和60Hz交流電訊號干擾。 軟/硬件高度整合 穿戴裝置開創新商機 體積與功耗一直是穿戴式技術關注的議題，據國外研究指出，穿戴式產品的瓶頸在于耗電量，然而解決的關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，由此可見算法的重要。 在硬件方面，如何將有感的傳感器做到穿戴時無感，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，這主要來自經過驗證的算法；最后，再整合感測芯片及算法，以搶得穿戴式市場先機。 穿戴技術的未來，在于內在認知與外在環境感測的結合、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。 |
