此疫綿綿無絕期 穿戴式醫療裝置正夯

作者 : Anthea Chuang、Judith Cheng,EE Times Taiwan

為能在疫情期間減少醫療資源的浪費、降低醫病間不必要的接觸,並將醫療資源全力投注在抗疫、防疫上,穿戴式醫療裝置搭配遠距醫療照護平台的使用成為大勢所趨。

新冠肺炎疫情(COVID-19)遲遲無法完全平息,總是一波未平一波又起,台灣也在全球疫情大爆發的一年多後,進入到每天確認人數暴增的階段。雖然台灣利用近3個月的時間逐漸控制疫情,本土確診病例數更在8月中下旬傳來令人振奮的消息——睽違已久的「佳玲」(+0)再度回歸。但Delta變種病毒卻讓全球抗疫行動蒙上陰影,台灣衛福部也持續呼籲民眾不可掉以輕心。

由於疫情時好時壞,人們不僅越發重視自身的健康,如何利用科技有效抗疫也成為焦點,促使各國政府自疫情以來致力邀集產官學進行相關研發工作。為能在疫情期間減少醫療資源的浪費、降低醫病間不必要的接觸,並將醫療資源全力投注在抗疫、防疫上,穿戴式醫療裝置搭配遠距醫療照護平台的使用,也因而成為大勢所趨。根據市調單位eMarketer統計,由於疫情大爆發,人們對於監控自身生理資訊的意識高漲,因此預期2021年將有超過五分之一的美國人口,相當於7,000萬人將使用智慧穿戴式裝置,如健身追蹤器、智慧手錶、穿戴式心電圖(ECG)監視器、血壓計…等,以及可測量心跳、呼吸頻率、皮膚溫度、身體姿勢、跌倒檢測等資訊的穿戴式生物感測器,以隨時監控自身健康指數。

消費/醫療性穿戴式裝置蓬勃發展

Yole Développement資料顯示,以全球穿戴式裝置市場規模來看,預估醫療性穿戴裝置及消費性穿戴式裝置於2018~2025年的年複合成長率(CAGR)可達11%;若以數量而言,因醫療性穿戴裝置總體數量較少,但一次性醫療性穿戴式裝置市場需求逐年增加,因此該市調單位預估2018~2025年的CAGR較高,可望達19.5%,而消費性穿戴式裝置2018~2025年CAGR預估將達12.1%。

成功大學電機系教授李順裕認為,隨著智慧型裝置的平民化,舉凡帽子、眼鏡、耳機、手錶、衣服、手環、帶子等穿戴式裝置皆已與智慧型裝置結合並融入人們生活之中。再透過大數據與人工智慧(AI)的發展,使穿戴式裝置可隨時監控個人的健康,推動整個市場蓬勃發展。

穿戴式裝置問世至今,醫療或消費性穿戴式裝置都已發展出多種外型,包括手錶、手環、耳機、帽子、鞋子、衣服、頸鍊、腰帶、貼片、義肢、眼鏡…等等,除了更著重於專業醫療應用的義肢與眼鏡之外,功能不外乎是測量——心率、血氧、血壓、溫度、呼吸…等生理資訊。不過,隨著科技的演進與醫療領域對穿戴式裝置的要求增加,穿戴式裝置的「定義」也已和過去所不同。恩智浦半導體大中華區資深行銷經理黃健洲解釋,傳統穿戴式裝置是指穿戴在身上的「物品」,比如健身追蹤器、耳機和智慧手錶,但隨著非消費電子產業的需求不斷增加,「穿戴式裝置」的定義已擴大到包括可與之互動的所有可攜式裝置。

不過,消費性與醫療性穿戴式裝置雖然功能相似,但其測得資料的「可靠性」卻有明確的不同。黃健洲進一步說明,在當前和未來的物聯網(IoT)世界中,將出現各種類型的消費性穿戴式裝置,以支援和改善日常工作和生活,讓用戶能獲取和管控關於健康、位置和工作任務的資訊,「了解」目前的身體狀況。而穿戴式醫療裝置則是指自動化且非侵入性,用於監測、診斷和治療特定健康狀況的裝置,將設有感應器的裝置連接到人體上,可檢測各個人體區域和器官的變化。此外,穿戴式醫療裝置具有無線數據傳輸、即時反饋和警報機制等功能,依功能主要可區分為監測與診斷,以及治療兩大類。

事實上,目前可以買到的具備生命體徵檢測功能的穿戴式裝置,例如手機、手環等,其說明書上都有一段描述:本產品資料不作為醫療標準,資料僅供參考。艾邁斯歐司朗(ams OSRAM)資深現場應用工程師孫凱指出,這意味著,雖然消費性穿戴式裝置這一類產品可以進行心率、血氧,甚至血壓等人體重要生命指標的監控,但其並不等同於醫療等級的穿戴式裝置。因此,量測出來的數值,只能作為參考,而無法被醫療院所「認可」。

新冠疫情加速醫療性穿戴式裝置需求

雖然消費性與醫療性穿戴式裝置的實際使用目的有差異,但這兩者的發展前景都已是板上釘釘,尤其穿戴式醫療裝置的發展更為蓬勃。圻逸(CHIYI)科技總經理林燕聰認為,隨著新冠肺炎疫情的爆發,為降低醫療人員的負擔,更有效地管理醫療資源,醫療性穿戴式裝置的價值被凸顯出來,因此發展有越來越夯的趨勢。圻逸科技行銷經理許容碩補充,先前由於全球人口結構逐漸走向老齡化社會,使得人們開始注重養生、保健,帶動具備偵測功能的消費性穿戴式裝置的發展,醫療性穿戴式裝置則是用於協助醫療人員在養老院或是長照中心,更好的調配人力。

新冠肺炎疫情可以說是推動穿戴式醫療裝置市場需求的主要因素。Silicon Labs表示,去年,穿戴式醫療裝置市場大幅成長,在新冠疫情大流行期間此一成長更是持續加速中。這是由於確診人數的暴增,導致病患選擇住院就近監測的機會大減甚至病床一位難求,遠距監測病患的需求即變得更加迫切。

而穿戴式醫療裝置的一大優勢是可以在患者就診期間或在家中進行連續監測與現場監測。舉例來說,連續監測的數據可提供患者更精準的生物特徵圖,預防發生 「白袍高血壓效應」引發的誤診;持續監測還可確保患者使用並遵從指示,為親人或護理人員提供即時的數據。Silicon Labs認為,除了提供即時數據之外,醫療性穿戴式裝置尺寸的縮小,為患者帶來更高的舒適度和便利性,以及安全性,以確保裝置免受遠端和本地攻擊,確保製造商和患者都受到保護,這些優勢對心臟監測或糖尿病血糖的控制尤為重要。

穿戴式生物感測器崛起

先前提到,消費或是醫療性穿戴式有各種不同的外觀,其中,可以化身為更多「型態」的穿戴式生物感測器,由於可以手套、衣服、繃帶和植入物的形式出現,且可透過身體的運動與生物流體進行連續和非侵入性的疾病診斷,以及健康監測,因此雖仍在起步階段,卻頗受產業重視。

Silicon Labs表示,傳統穿戴式裝置與一般所認為的生物感測器或貼片感測器之間的差距正在縮小。加上解決方案在物理尺寸和成本的縮減,可看到更多的裝置已整合到衣服或珠寶中(例如防跌倒偵測掛件)、身上監測器(如CGM),甚至注射皮下或吞入物以執行體內診斷的系統(比如結腸鏡檢查藥丸)…等。

不過,穿戴式生物感測器要讓普羅大眾進一步接受,仍有其挑戰存在,例如須採用極小的電子元件、軟性電路板,以便能夠「織」入布料中;還要讓使用者感受不到、精準度要高,更重要的是價格不能過高…等。Silicon Labs指出,小型化當然會帶來設計和封裝方面的挑戰,但 IC 和模組的進步,以及電池技術的創新使得更小、功率更好,以及一次性可拋棄式的產品逐漸成為可能。未來,這類產品也將徹底持續改變遠距醫療和所有的醫學發展。

歸納穿戴式生物感測器的開發重點,李順裕說明,開發穿戴式生物感測器時,業者需具備異質整合能力,如紡織衣物與電極感測結合,最終再透過半導體輕薄短小特性與低功耗設計技術將訊號傳至智慧型裝置中。而其中最大的挑戰為低功耗與高解析度晶片設計技術、醫療法規認證的設計考量、傳輸介面的穩定裝置、軟體服務的確效要求、產品設計的醫療規範。任何一部分的失效,將會造成產品的重新校正與設計,既耗時且耗成本。

事實上,上述穿戴式生物感測器的開發重點也是現今業者研發穿戴式醫療裝置時所需考量的關鍵與挑戰。

加深使用者接受度

穿戴式裝置問世也有一段不算短的時間,消費性穿戴式裝置更被視為「附屬」,若是沒有和智慧型手機或是其他「主要」裝置搭配,其價值無法顯現;醫療型穿戴式裝置則是因為體積笨重、不夠便利,會影響日常生活而持續不受病患歡迎。因此,如何提升使用者接受度,成為相關業者努力的方向。

李順裕指出,穿戴式醫療裝置的市場往往要求需能提供客戶全方位的解決方案,如高解析的檢測裝置、具智慧連網的傳輸模式、包含人工智慧的健康照護,技術涵蓋硬體檢測、韌體傳輸、軟體服務;對半導體元件而言,為達到輕薄短小、長時穿戴、即時辨識,需面對智慧晶片系統(AISoC)設計的挑戰,以及具備結合AIoT的能力。

南台科技大學電子工程系教授張萬榮舉例說明,試想,如果你手上戴的Apple Watch可以在偵測到你的生理狀況後,給予包括個人健康「建議」或「提醒」該注意那些不良的生活習慣,這項產品在消費者眼裡的「價值」將不可同日而語。因此,提高使用者接受度最大的關鍵即為「應用」,也就是說,各種穿戴式裝置只是載具的一種,若這些載具能透過軟體賦予符合消費者需求的關鍵性或是所謂的殺手級應用,無論是消費性或是醫療性穿戴式裝置,其市場規模都有機會再更上一層樓。「硬體背後的應用層面,才是穿戴式裝置真正的價值所在,」張萬榮強調。

硬體——無感且節電又準確

穿戴式裝置要提升市場接受度,業者多認為硬體方面不僅要具備精密感測、收集資料的功能,使用者相當看重的電池續航時間、裝置始終保持連接、外形尺寸更小巧,以及更直覺的用戶體驗非常重要。林燕聰指出,早期的穿戴式醫療裝置體積很大,讓使用者無時不刻覺得身上有異物感,並造成生活上的不便利感,加上常需要更換電池,因此如果不是醫生診療時的 「要求」,非必要決不願意將醫療穿戴式裝置「掛」在身上。

因此要消弭使用者將穿戴式醫療裝置造成的痛苦與不方便,裝置微型化與電池使用壽命長,讓使用者將裝置穿戴在身上時能夠幾乎無感,即為重點。而要達到這些特性,半導體元件則扮演了重要的角色。李順裕表示,穿戴式醫療裝置最關鍵元件為舒適且無感的感測器、精準的類比前端檢測器,以及具人工智慧的顯示器,需有輕薄短小、長時穿戴、舒適美觀的特性,且可分別應用於醫療市場、穿戴市場、教育市場中。黃健洲指出、感測器的精準度、低功耗元件、多種不同且快速經濟高效的通訊方式(如藍牙、低功耗藍牙、Wi-Fi等) ,以及專為穿戴式裝置設計的微處理器都是關鍵元件。

可簡單將醫療性穿戴式裝置區分為幾個部分:控制、感測、傳輸與電力,進一步分析對半導體元件的需求。Silicon Labs認為,穿戴式醫療裝置系統的核心是無線SoC,亦即支援無線傳輸技術與控制顯示器、感測器…等子系統的微控制器(MCU)。無線SoC可確保監控的數據儲存在本地,並將數據透過無線技術發送到遠端以進行示警和分析。

 

透過無線技術SoC可將穿戴式醫療裝置所收集到的的數據,傳輸到智慧型手機或其他裝置進行管理及分析。

(來源:Silicon Labs)

 

各種無線技術中,藍牙、Wi-Fi、5G是現階段或是未來穿戴式醫療裝置在遠距診療或是將資訊傳輸到雲端進行分析時不可或缺的工具。藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)亞太暨中國市場總監李佳蓉表示,內建藍牙技術的穿戴式醫療裝置,能夠解決並改善病患照護條件,並避免醫護人員及患者交叉感染風險,目前已成為醫療照護市場的主流應用,因此,預計今年藍牙穿戴式裝置出貨量將達到2.05億件。此外,過去一年來,醫療照護環境逐漸倚賴藍牙醫療裝置和解決方案,用以大幅減少接觸並改善患者照護,預計至2025年,藍牙醫療照護位置服務導入情形將有5倍的成長。

李佳蓉並強調,藍牙技術具備低功耗、低成本及互通性等多種優勢,已能實現低功耗藍牙的長距離傳輸及高精準度定位等功能,因此藍牙技術對於穿戴式醫療裝置電池續航力的影響有限。可協助穿戴式醫療裝置拓展其市場應用廣度,其中包括偵測生理數值的裝置、對助聽器的支援及用於定位的追蹤標籤(Tag)等應用。

穿戴式醫療裝置最大的作用是偵測人體各種訊息,因此其內部的感測器精確度,自然相當重要。張萬榮認為,在人工智慧技術逐漸走入穿戴式醫療裝置時,精準大數據的收集,勢必是仰賴各種感測器,因此感測器的精確度越高,收集到的資料越精準,人工智慧系統的學習就越有效,準確度才能不斷提升。林燕聰亦認為感測器的精準度非常重要,這是由於感測器偵測的資訊涉及人身安全,若是感測器取得的數值是不正確的,將會提高患者的危險性。

孫凱強調,感測器雖小但肩負的責任重大。這是由於未來醫療性穿戴式裝置的應用不僅局限於解決消費者當下健康問題,更重要的是各大企業可建設健康平台,結合軟硬體和人工智慧技術實現因人而異的健康指導。在這個過程中,一切大數據的分析和處理的前提一定是要基於準確的原始訊號,這樣才不會出現錯誤,提供病人最及時及真實可信的健康預警提示。因此,為提高感測器的準確度,穿戴式醫療裝置應用的感測器需要有效的原始訊號,並提高訊噪比(SNR),然後將訊號轉換成可以被放大的電壓或電流進行數位化處理。

黃健洲則認為「感測器融合」是提升精確度的有效方式。他解釋,整合不同感測器接收的資訊,進行更多面向的情境感知與生物資訊探測,可提升系統的精準度或進一步校正雜訊。

除了硬體技術的進展,許容碩認為,穿戴式醫療裝置的外觀能否採用新穎的設計,也將左右消費者的喜好。林燕聰則提醒,醫療性穿戴式裝置不但會接觸到人體,甚至還會以膠囊的形態被吞入患者體內,因此生物相容性這個容易被忽略的問題也很重要。例如,膠囊型檢測裝置中的電池,是否對人體造成影響?貼片的材質是否會造成皮膚過敏甚至中毒?業者在開發產品時不僅要考慮這些安全性問題,也必須通過相關的安全法規。

軟體——從偵測到分析理解

若要了解生理訊號與健康資訊,人工智慧辨識是不可或缺的技術。李順裕說明,人一天心跳將近10萬筆,而心律不整發生次數可能小於100筆,且往往出現在晚上與睡眠時間,無法透過人工進行分析,因此,人工智慧的即時篩選或長期監控,可提供醫師進行診斷的參考。

除了監測之外,對身體生命徵狀的預測也推動了對高階嵌入式智慧功能的需求。Silicon Labs認為,這是人工智慧/機器學習可提供協助之處,其提供的模型有助於患者在病情發作之前確定病理的變化。此外,人工智慧/機器學習引擎必須具備高度的靈活性和適應性,才能因應大量的醫療應用所衍生的複雜性。

目前,市場上的大多數醫療性穿戴式裝置產品已經將人工智慧與物聯網技術嵌入其中,讓使用者在體驗產品的過程中享受人工智慧運算出與個人健康防護及針對生活資訊相關的合理化建議。不過,孫凱提到,這些產品要與專業的醫生診斷相比擬還有一定的差距,未來在技術的不斷突破下,相信這個差距會逐漸縮小。黃健洲則指出,若雲端訓練好的模型可即時反應不延遲,對未來將人工智慧導入穿戴式醫療裝置會很有幫助。但目前因最終消費者對裝置延遲效應接收度不高,因此尚有一段路要走。

 

結合智慧眼鏡等穿戴式裝置及ICT技術,可讓電子義肢更貼近使用者需求。

(來源:南台科技大學電子工程系教授張萬榮)

 

 

值得注意的是,人工智慧技術不僅在監測或是判斷疾病上,協助穿戴式醫療裝置具備更高的準確度,而是可延伸出更多使用者「真正」需要的功能,以及創造更多商業模式。張萬榮強調,開發成功的穿戴式醫療產品關鍵在於知道使用者的需求,因此應用軟體與人工智慧模型是硬體開發之外,最重要的部分。

「一定要有『功能』,才能賦予產品意義。」張萬榮說,穿戴式產品市場特性為少量多樣,不似一般消費性電子以量多取勝,這意味著,軟體的多樣性將是業者能否掌握市場的關鍵因素。不僅如此,人工智慧模型的建立基準亦是要從使用者的角度與需求出發,能夠與使用者進行深度互動。因此,即使人工智慧系統要真正在醫療性穿戴式裝置上落地仍有一定難度,但張萬榮建議,有志之士應具備耐性,「放長線釣大魚」,不僅須培養人工智慧/應用軟體相關人才,還應成立品牌,才能通盤了解使用者、醫療院所臨床對穿戴式醫療裝置的需求,開發出能真正滿足使用者的產品。

穿戴式醫療裝置門檻高不可攀?

事實上,「現在『真正』的醫療穿戴式裝置真的不多,大多數業者主要重心都放在消費性穿戴式裝置,」林燕聰坦言,這是因為醫療級穿戴式裝置的價格高昂,以至於消費者會陷入「單價迷思」,因此穿戴式醫療裝置最終還是要回歸專業,透過醫師指導並「建議」,消費者才會掏腰包。

而穿戴式醫療裝置價格咋舌的原因是要通過相關醫療法規,中間要投注相當多的資源進行臨床實驗。林燕聰認為,一般業者的口袋通常不夠深,能否撐個3~5年進行ISO 13485認證,待產品通過認證才能上市;加上現有專利都掌握在大廠手上,導致台灣廠商仍是以代工為主,現階段能真正自行研發並推出品牌的業者著實不多。

不過,台灣廠商手上擁有一張「創新」的好牌,因此台灣也許難以誕生穿戴式醫療裝置的「巨頭」,但卻有機會培育出「獨角獸」。

結合穿戴式裝置 打造智慧醫療科技新貌

近期台灣逐漸走出新冠肺炎疫情大流行的陰霾,每日確診人數逐漸下降,科技部長吳政忠認為,台灣的抗疫成果,實歸功於台灣智慧醫療的發展。事實上,在疫情之前,科技部體認到生醫搭配ICT產業將創造許多醫療產業的新機會,因此積極推動智慧醫療產業的發展,與培養相關技術能量。而隨著人工智慧、5G等應用技術突破,以及新冠肺炎疫情的肆虐,更加速醫療產業數位轉型的腳步,因此當政府跨科技部、衛福部及經濟部推動「台灣精準健康戰略產業發展方案」,旨在鎖定「精準健康產業」此一全球也是台灣未來5~10年發展重點時,科技部隨即致力於透過科技引領智慧醫療、精準醫療及再生醫學等新興產業的發展,實現「精準創新.健康永續」的願景。

在科技部科創計畫的孵育下,台灣產官學在智慧醫療產方面已有各種成果誕生,並在新冠肺炎期間協助民眾及醫療院所有效抗疫。例如台北醫學大學講座教授陳瑞杰團隊研發的醫病零接觸防疫平台——零接觸智慧防疫自助機,降低醫病與一般民眾的接觸風險;中央研究院前研究員張韻詩及雲林科技大學資工系副教授朱宗賢的團隊研發「室內定位追蹤系統」,使用者可配戴在身上,透過App不僅可讓民眾快速、準確地找到診療處,還可協助醫護人員更有效追蹤院內病人,甚至追朔新冠確診者的足跡;還能將此穿戴式裝置放到醫材設備上,便於管理。

 

中央研究院前研究員張韻詩及雲林科技大學資工系副教授朱宗賢團隊研發的「室內定位追蹤系統」。

(來源:EE Times Taiwan)

 

為強化遠距醫療中醫病之間的互動與連結,中央大學教授羅孟宗結合學界人工智慧技術能量,以及業界心電圖、呼吸監測等穿戴式醫療裝置業者合作開發「生理資訊智慧監控系統」,可讓醫護人員遠端即時掌握病患者狀況,並透過人工智慧技術針對患者癒後心、肺臟功能異常進行預測示警,讓病房管理更智慧有效率。

此外,疫情期間為保護醫護人員的安全,台灣大學也跨系所組成一支全方位的智慧醫療團隊。其中,結合HoloLens混合實境頭戴裝置,打造「混合實境病房」,可減少醫護暴露在高風險場所的機會,未來也可望推廣至全台防疫旅館與檢疫所。

除了近期新冠肺炎疫情如何防堵、如何保障醫護人員與全民健康,成為眾所矚目的焦點外,一直未找到有效解方的疾病,其相關研究亦持續的在進行中。包括帕金森氏症、癲癇等神經相關疾病,目前主要仍以化學藥物、手術來進行治療,然而這類方法容易造成人體其他器官受到影響,或是產生記憶力減退、視力受損或行動不便等後遺症。為此,多年來專注於生醫SoC研發的國立陽明交通大學終身講座教授吳重雨,率領其團隊進行植入式閉迴路神經調控元件開發,目標是利用台灣擅長的尖端半導體技術,以SoC解決方案實現比目前市面上產品更小型化,甚至可支援無線充電等功能的新一代神經調控裝置,嘉惠廣大癲癇病患。此外,這類生醫SoC也將催生電子耳(人工耳蝸),以及人工視網膜等醫療電子裝置,為台灣高階醫材產業的發展帶來助益。

吳重雨在陽明交大生醫電子轉譯中心(BETRC)的團隊自2008年就著手開發針對抑制癲癇症狀的閉迴路神經調控電路,2012年以COB (Chip on Board)形式完成電路的動物試驗,並於2013年開始第一代SoC的研發,除了已經取得多項技術專利,也在2016年將研究成果技轉同年成立的生醫晶片新創公司晶神醫創(A-Neuron Electronic),逐步朝向商業化目標邁進。目前團隊所開發的第五代與第六代SoC,已經分別在癲癇臨床體外評估系統以及鈦金屬外殼植入式脈衝產生器(IPS)的應用上有實質成果,前者已通過ClassII醫療器材認證,預計今年底上市,IPG產品則可望在2022或2023年問世。

 

陽明交通大學終身講座教授吳重雨團隊開發之最新一代生醫SoC可望實現體積更小、更輕巧的植入式脈衝產生器,造福癲癇患者。

(來源:陽明交通大學終身講座教授吳重雨吳重雨)

 

跨界合作 掌握穿戴式醫療裝置市場

綜觀上述,未來穿戴式醫療裝置要能持續平順且穩當的發展,結合人工智慧與各種分析管理平台,以及更多ICT技術是必不可免的。張萬榮舉例,穿戴式醫療裝置若和各種服務平台串接,提升其在單純精準測試生理資訊之外的價值,對消費者而言,專業的穿戴式醫療裝置價格就不會「驚嚇」到消費者。且異業結盟也能衍生出更多創新的應用,讓穿戴式醫療裝置更獲消費者芳心。

無可否認的是「一套成功的裝置和產品離不開一套好的硬體和軟體演算法。」孫凱總結。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年9月號

 

 

 

 

 

 

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