藉助MCU與開發板 加速孕育醫療穿戴裝置
- DIGITIMES企劃
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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。
