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拓展医疗领域之新兴应用
谈终端零组件发展趋势

【作者: 楊正瑀】2017年01月16日 星期一

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在高龄少子化导致人口结构改变、智慧型终端渗透率提升以及联网基础建设普及的影响下,医疗领域逐渐朝向远距医疗、居家照护、随身监控等方向发展,促成了医疗电子因应远距、行动化与自动化之产品发展趋势。


新兴医疗终端产品发展趋势

高龄化社会及联网环境日益成熟趋势影响下,行动及穿戴式医疗逐渐兴起,依装置联网及应用型态可区分为三大主要类型:1. 现有医电产品连网/智慧化,如现有之血压计、血糖计、计步器、体重计等产品以增加感测器及网路传输晶片方式转化为联网智慧终端;2.医疗机器人、睡眠床、远距医疗侦测椅、穿戴式装置等新兴型态医疗终端产品;3. 新增生理感测功能或透过医疗应用App操控之既有泛用型行动装置(如智慧型手机、平板、笔记型电脑等)跨界医疗应用。


现有医电产品连网/智慧化

过去功能单一的医疗设备终端装置可形成短距近身网络BAN (Body Area Network),并以网际网路与医疗院所连结,成为提供整体医疗数据之一环,尤其是慢性病与高龄长者的起居尤需要长期监控管理及追踪纪录。


日系多家半导体或电子大厂如Mitsumi、Murata、Omron与Rohm等,已开始投入开发相关产品。例如增加了加速度感测器及连网晶片的体重计可量测体重、心跳,并传输至使用者的智慧型手机进行数据纪录。


现有医电普及程度高的主要产品如血糖仪与血压计也已有厂商推出智慧连网机型。例如iHealth 血糖机可透过蓝牙与Apple平板的App连线,纪录使用者自行检测的数据;Studio A与台湾福尔、台北医学大学合作推出的FORA血压血糖检测系统亦有类似功能,可将使用者测量的血压、血糖数据纪录于手机App,或是更进一步上传到云端照护平台,由医护团队提供咨询服务。


新兴型态医疗终端产品

医疗用途机器人

根据国际机器人联盟(International Federation of Robotics;IFR)的分类与定义:「医疗机器人归属于服务型机器人,其能够编制操作计画,并依据实际情况确定动作程序,然后把动作转换成操作过程的机械运动」。 IFR还进一步将医疗机器人细分为四个产品项目,包括:诊断系统用途机器人、外科手术辅助机器人与放射线治疗机器人、复健系统用途机器人以及其他类型医疗机器人。


诊断系统用途机器人可以运载微型诊断装置进入人体内部,协助人体外部诊断设备进行疾病病况检查;手术辅助机器人使用机器人技术辅助外科医师进行手术中的相关流程;放射线治疗机器人执行高能量放射线癌症肿瘤的照射治疗;复健系统用途机器人可配合物理治疗师进行个人化复健疗程规划及复健动作执行,有利于物理治疗师观察病患恢复情形。


其他类型医疗机器人中较具代表性的为辅助临床诊疗的远端临场医疗机器人(Medical Telepresence Robot),可以担负在医院病房、病患家庭辅助看诊,医护人员可透过人机介面远端控制医疗机器人并获知病人即时状况。


即时视讯终端设备

即时视讯可辅助远距医疗更贴近临床诊疗状态,例如医师或护理师可透过即时视讯方式给予患者咨询及保健建议,理疗复健师亦可透过视讯装置线上指导运动复健的学习与动作矫正;此外,还可更进一步透过以高精细显示装置配合侦测生理数据的感测器,同时以量测数据辅助视讯画面作为诊断参考。


例如,Sharp所推出的初期诊断支援系统,具备三个显示面板,中间为医生问诊画面,右边会显示相关数据波型,最左边会有体温、血管健康评估、体重、血压、脉搏等测定结果。远距医疗之效率与可行性的提升能使病人或医师可以在医院以外的场所进行诊察,将促使医疗资源与服务从集中于医疗院所的现况中分散至其他场域。


居家照护辅助器材

除了个人随身的穿戴式产品,居家医疗还可透过感测器与家具的结合成为侦测生理资讯的辅助器材。例如,在枕头与床板上装设动作感测、磁力感测器等与BT(Bluetooth)、NFC(Near Field Communication)等无线短距传输搭配,与智慧手持装置串接后,即可侦测睡眠状态,可借此搜集睡眠资讯来追踪睡眠品质;温度感测器则可测知卧床病患病情变化,及时给予相应之处置与治疗;光感测器则可配合应用于判读就寝时间等等。


另外,也有业者开始设计具备光源感测、可测量脉搏的座椅扶把或可侦测体重的沙发等,将使得生理监测不仅止于穿戴式装置,更可延伸至居家家具之中,使得生理数据的检测更直觉、更便利。


泛用型装置医疗化

在穿戴式装置混乱的竞争态势下,健康医疗相关功能被视为能提升附加价值进而提高产品售价的重要方向。除了尝试在产品中加入心律、体温等生理感测器外,大厂们也纷纷开发后端应用平台以及应用App,以便穿戴式装置能发挥贴身侦测之优势,未来成为健康医疗布局中的重要端点。


各国政府亦已注意到泛用型装置透过应用App的操控跨入医疗领域的趋势,因此2013年美国FDA研拟了Mobile Medical Applications相关办法,以促进泛用型装置在行动医疗领域的推动,2014年4月欧盟也针对行动医疗征求监管建议。至2014年底FDA已核准超过30项医疗、诊断相关App,使得泛用型装置在医疗领域可因此进入实质应用阶段。


医疗领域联网技术发展趋势

健康照护专用的无线通讯技术随着行动医疗及远距医疗而发展,以应用短距传输技术建构近身联网环境「BAN (Body Area Network)」为重心。主要短距传输技术如Bluetooth、ZigBee、NFC、ANT等皆针对医疗领域之需求发展医疗用技术规格。


医疗短距无线传输技术

蓝牙4.0版的发展重点在低功耗(Low Energy;LE),并分成Bluetooth Smart Ready、Bluetooth Smart与标准蓝牙等三种规格,其中智慧手机是采用Bluetooth Smart Ready,而Bluetooth Smart则是锁定健康医疗及智慧家庭应用,网路结构也将由星状(Star)中心结构转换成更符合移动式装置的网状(Mesh)结构。 4.0版传输速度还分成正常规格的3Mbps及高速规格的24Mbps,传输距离延长到60公尺,并改善因高速传输而导致的高功耗问题。



图一 : 未来医疗电子仪器设备皆可透过连网服务完整记录医疗数据,以便长期监控管理。
图一 : 未来医疗电子仪器设备皆可透过连网服务完整记录医疗数据,以便长期监控管理。

Zigbee由家庭自动化(Home Automation)、大厦自动化(Building Automation)、工业自动化(Industrial Automation)等三大市场方向制定相关应用标准,其中家庭自动化、大厦自动化等两标准发展方向将对应至医疗领域,并朝强化控制、节能、灵活、安全等特性持续推展。


ANT及ANT+为健康医疗专用之传输协定,相较于其他短距传输具有功耗上的优势,但ANT+传输加密为64位元金钥加密,逊于BLE以128位元演算加密方式,各个技术各有优劣,将可能形成同一装置互补共存之型态,如BLE+ANT+双模产品。


NFC主要应用于智慧型手机与穿戴式装置等消费性电子产品间的短距资料传输,早期以行动支付应用为主,近期则往智慧医疗领域发展。 NFC可与蓝牙技术相互搭配,由NFC技术找寻可连之装置,再透过蓝牙技术传输欲交换的资料或内容。



图二 : 医疗用短距无线传输术发展趋势 (资料来源:资策会MIC,2015年10月)
图二 : 医疗用短距无线传输术发展趋势 (资料来源:资策会MIC,2015年10月)

医疗专用频段

为了基于医疗领域的安全性及传输数据的特殊需求,各国政府已开始检讨由现行常用之ISM频段(Industrial Scientific Medical Band) 61GHz、24GHz、5.8GHz、915MHz、434MHz中区隔出医疗专用频段如UWB (Ultra-wideband)、Sub GHz等,亦在行动医疗的崛起下被纳入产品的设计制造考量之中。


表一 医疗专用频段

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频段

传输速度

传输距离

UWB

3.1GHz~10.6GHz

480Mbps

<30M

Sub GHz

低于1GHz的ISM频段

>150Kbps

>1KM

(资料来源:资策会MIC,2015年10月)

关键零组件发展趋势

医疗感测器发展趋势

伴随着多样化智慧医疗终端设备的发展,感测器成为影响功能决定性的关键。医疗专用仪器中主要应用的感测器包括医用CCD/CMOS影像感测器以及放射检测仪器中的放射线感测、超音波感测器等,紫外线感测器则在医疗美容风潮的带动下有相对较高的成长。


生理感测器则主要有脉搏、脑波、血糖及生物晶片感测器、微阵列等,生物晶片感测器、微阵列虽然已发展许久,但由于微机电技术障碍高,且应用在生体测试中并不具备价格竞争力,因此数量难有大量成长。


大量应用在穿戴式装置的脉搏感测器、角速度感测器、加速度感测器等,虽目前在行动医疗的带动下成长快速,但在缺乏明确应用带动且测量技术精确范围高低差异落差大的现况下,多仅供追踪纪录之用,未来如何将量测数据应用到实际医疗诊断流程之中将是另一项挑战。


医疗用感测器所应用的量测技术包括电位差、压力差、加速度及影像感测等,在穿戴式产品大量应用的现况下,附加脉搏量测功能之终端产品数量大幅增加,测量脉搏所使用的量测技术类型与精度也在陆续提升中。


医疗零组件标准发展趋势

其他医疗相关重要零组件尚包括显示面板、电池、运算IC等,除了朝向小型化、低耗能、高精密度等大趋势发展,且由于医用终端在技术及品质要求上需符合验证品质基础的ISO9001、ISO13485,此外尚须符合电性安全相关之规范IEC60601- 1,以及GMP、510K、UL、CE等各区域或国家之检验标准,终端业者在选用零组件时相对保守且封闭,透过参与如Continua行动医疗联盟,或各大厂各自推展的平台如Apple HomeKit 、Google Thread、Qualcomm Allseen等,将是资通讯业者切入医疗领域的重要途径。


其中Continua行动医疗联盟为目前发展行动医疗中具重要影响力的联盟,其成立目标为推动共通技术标准 以确保通过认证的医疗电子装置/产品皆能顺利互通、相容使用。Continua行动医疗联盟由Intel、IBM、GE、Omron等资通讯大厂发起,目前成员厂商已超过二百个,涵盖Intel、IBM、GE、Nokia、Oracle、Cisco、Qualcomm、Sony、Samsung、Sharp、Philips 、Fujitsu、Omron等上游晶片到下游终端的重量级资通讯大厂,Bluetooth及ZigBee技术标准联盟亦以成员身分积极参与,对于医疗领域产品互通性的提升将产生重大影响力,对通过Continua联盟认证之终端产品也将于市场的扩大与普及产生助益。


结论

泛用型终端需提升量测精度与互通性


图三 : 终端间的互通与后端连结之应用将是影响泛用型终端能否顺利转化为医疗领域应用装置之重要关键。
图三 : 终端间的互通与后端连结之应用将是影响泛用型终端能否顺利转化为医疗领域应用装置之重要关键。

在医疗电子产品中,目前数量成长较快的属于穿戴式以及透过App跨入医疗领域的泛用型终端装置,这些行动医疗终端多属于非侵入式侦测方式测得生理资讯,如何排除侦测过程中的杂讯提升量测准确度将是泛用型装置能否切入医疗领域的初步门槛。


由于产品结构及应用技术与台湾业者擅长之资通讯产品较为类似,预期如智慧手表、智慧手环、智慧衣等智慧穿戴装置将是较多台湾业者的发展方向,在硬体终端业者竞相增加感测器数目与种类以求产品差异化之际,心律感测及体温感测常被视为将产品推入健康医疗领域之入场券。然而在缺乏应用服务的配合之下,感测器所测得之生理资讯仅能作为使用者生活习惯之参考资讯,无法成为有效之辅助诊断或医疗参考资讯。


各终端之间的互通以及与后端可连结之应用服务将是影响泛用型终端设备能否顺利转化为医疗领域应用装置之重要关键,因此,对于目前医疗领域中发展的技术联盟,如Intel 、IBM、GE、Omron等大厂发起的Continua行动医疗联盟,以及各大厂为提升IoT产品间的互通性所推展的平台如Apple HomeKit、Google Thread、Qualcomm Allseen等,透过技术平台间的交流合作提升产品之可用性,寻求终端产品发展机会。


(本文作者为资策会MIC资深产业分析师)


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