藉助MCU與開發板 加速孕育醫療穿戴裝置

2016/11/17 - DIGITIMES企劃

環顧醫療穿戴與健康管理裝置的特性,講究的重點不外是低成本、高效能、續航時間長,以及高整合度(體積小),都意謂著相關設備所選用的微控制器(MCU),必須能夠順應前述嚴苛要求,遂使得ARM架構的32位元MCU,在近年聲勢躍起。

所謂醫療穿戴與健康管理裝置,常見的定義是,將非侵入式生理訊號量測技術融合到人們平日穿戴的衣服、物件裡頭,這些裝置通常具備很高的可攜性,也能夠長時間監測人體的生理情況,尤其適合被運用在慢性病監測、睡眠質量監測、家庭護理保健等情境,意在及早發現慢性或隱性疾病的徵候,以利於患者及早接受診療,提升治癒的機率。

近幾年來,醫療穿戴與健康管理裝置市場愈趨火熱,不管是身經百戰的老將,抑或初生之犢的新秀(Startup),都競相推出相關設備搶灘市場,連帶也孕育出許多備受矚目的明星產品,挾著不同的應用訴求各展所長。

非侵入式穿戴裝置  如雨後春筍大量湧現

包括Owlet、Sproutling等兩家業者,都不約而同鎖定嬰兒監控市場,先後推出了智慧型Baby Monitor產品,其中Owlet將Monitor融入智慧襪,而Sproutling則推出智慧踝環,儘管穿戴的部位有別,但功能可謂殊途同歸,皆能夠監測嬰兒的體溫心跳、動作、位置、睡眠姿勢,乃至於睡眠情緒,同時可根據嬰兒的成長紀錄,預測嬰兒甦醒的時間;另值得一提的,這些Monitor設備尚可監測室內環境的溫度、濕度、亮度與噪音量,以研判是否肇因於環境欠佳,而對嬰兒的身心狀況有不利影響。

至於InteraXon公司推出的Muse,則是一款腦波(EEG)偵測頭帶,其運作方式是藉由藍牙,將腦波訊號傳到手機APP,此時使用者只要閉上雙眼(此舉有助於讓腦波進入低雜訊狀態),聆聽APP所提出的語音提示,練習讓大腦進入專注而放鬆的狀況,從而改善專注力與記憶力。

美敦力(Medtronic)推出的即時連續型血糖監測儀(Continuous Glucose Monitoring Systems;CGMS),由葡萄糖生物感測器、血糖記錄器、線纜、資訊採集器、分析軟體等五大關件元件所組成,其可連續監測達3天,只要將檢測探頭黏貼在使用者的腹部,則每隔10秒鐘即會對皮下間液的葡萄糖濃度執行一次量測,然後透過無線通訊方式,將所得資料傳送到接收器。

新創公司TZOA,分別針對專業市場、消費市場推出TZOA-Research與TZOA-Consumer等兩項隨身環境感測裝置,就外觀來看,它們像是可以被夾在衣服或背包上的小鈕扣,但都有能力感測各種外在環境變化,譬如紫外線、濕度、溫度、空氣品質,搭配其提供的手機APP,可協助使用者記錄量測數值,並即時描繪當地環境品質的地圖與路徑,以便於使用者知所規避惡劣路徑,巧妙選擇在夏季少日曬、冬季多日曬的通勤路線。

SPO Medical推出的PulseOx 6000手指血氧探測器,則能連續長時間執行監測達500小時之久,且使用便利性甚高,使用者僅需將該裝置套在手指上,便可即時監測心率與血氧飽和度,可靠度之高,不會遜於血壓計、體溫計等成熟產品。

打造醫療穿戴產品  MCU堪稱關鍵

綜觀上述所列舉的林林總總產品,其實不難歸納出一些共通特徵,包括了它們都是採取非侵入方式檢測生理訊號,透過有線或無線通訊方式串聯使用者、醫療人員與資料中心,也都具有高度的安全可靠性,而且電池續航的時間都不短,此外,它們的體積尺寸並不算大,故具有很好的攜帶便利性。

顯而易見的,要設計出兼具上述種種特徵的醫療穿戴與健康管理裝置,針對箇中MCU的選型,即顯得相當重要,不僅低本要低、效能要高,也必須具有高度的整合性,以及優異的休眠效率;此處所謂的休眠效率,一般的檢視標準,不外乎落在三大指標,首先講求是否提供多樣性的休眠模式選項,其次則是看休眠功耗是否夠低,再來是喚醒時間是否夠短。

說起低成本,有些廠商會直覺想到8或16位元的MCU,但前者與穿戴式醫療裝置的發展趨勢,其實並不吻合,因此市場正快速流失中,取而代之的,則是植基於ARM Cortex-M系列核心的32位元MCU。

因此很清楚的,穿戴式醫療裝置的設計製造商,值得考量採用的MCU,就落在16位元MCU,以及基於ARM Cortex-M核心的32位元MCU範圍內,相關供應商相當之多,舉凡頗具知名度的意法半導體(ST)、恩智浦半導體(NXP)、德州儀器(TI)、Silicon Labs、Microchip等等業者,都有推出相關產品,且MCU品項不在少數。

比方說TI 的MSP430系列16位元單晶片產品,一向以超低功耗著稱於市場,並內建高精準度類比功能,可協助工程師設計出體積小、效能高且蘊含豐富功能特色的裝置;儘管如此,近年來不少製造商開始朝向32位元MCU傾斜,主要理由有二,其一是穿戴式醫療裝置往往需要仰賴晶片執行資料處理、複雜演算法,由以Cortex-M系列為核心的32位元MCU來承擔這些任務,比起16位元MCU,理當是更恰當的選擇;其次,16位元MCU傲人的低功耗功能,如今相較於Cortex-M系列,並無顯著差距。

以意法半導體的STM32L系列MCU(基於ARM Cortex-M核心)為例,其休眠功耗幾乎與一些以低功耗著稱的16位元MCU不相上下,至於休眠狀態下的喚醒時間,也同樣達到10 μs以下的優良水準;由此可見,以Cortex-M為核心的32位元微控制器,低功耗表現堪與16位元MCU旗鼓相當,但在運算效能方面則略勝一籌,因此無庸置疑的,此類高效低功耗的MCU,非常適用於醫療穿戴與健康管理裝置。

善用物聯網開發板  縮短產品開發週期

若鎖定ARM Cortex-M系列,可被歸類為低功耗家族者,大致包含了M3、M0和M0+等三款核心,其中Cortex-M0是早年擊退一干8位元MCU,成功搶進低階MCU市場的頭號功臣,然而若論及高效低功耗特性,後進的Cortex-M0+都明顯優於M0,而它的運算效能雖然不及M3,但由於價格較低,故性價比條件之優異,依然為三款核心之最,與穿戴式醫療裝置所講究的低成本、低功耗、高效能特性,也最能全面契合。

至於另一項對於穿戴式醫療裝置也相當重要的條件-高整合性,則端視個別廠牌產品型號而定。舉例來說,意法半導體基於Cortex-M0+核心的產品,雖然都同樣歸屬在STM32L0系列,但系列之中仍再細分不同型號,其中位階較高的STM32L0x3,便同時內建12位元DAC控制器、USB 2.0控制器及LCD控制器,所能支援的外接週邊裝置最為豐富,故就整合度而論,該款產品明顯較STM32L0系列家族的其他成員來得高。

當然,意欲打造穿戴式醫療裝置成品,光是倚靠MCU不足以成事,尚需仰賴感測器、類比前端(AFE)等其餘關鍵元件,著眼於此,眾家晶片供應商紛紛推出整合式解決方案,搏取產品設計者的青睞;例如意法半導體便祭出Nucleo開發板,一舉整合32位元MCU、MEMS感測器、AFE模組、無線通訊晶片等重要元件,也搭配軟體程式庫(Library),共組一套參考設計,旨在協助設計者加快工作時程。

除了國際大廠外,部分台灣廠商也加入物聯網開發平台戰局,譬如聯發科技的LinkIt Smart 7688、LinkIt Smart 7688 Duo開發板(後者適用於具有Arduino或Arduino Yun經驗的開發者),便受到開發者及Maker的熱烈迴響,有助於這群使用者加速推動概念成形,打造出富含創意的穿戴式產品。


圖說:不論是Owlet藉由智慧襪型式推出的Baby Monitor產品,乃至其他非侵入式醫療穿載裝置,都講求低成本、低功耗、高效能、高整合度等功能特色。(來源:Owlet)