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拓展醫療領域之新興應用
談終端零組件發展趨勢

【作者: 楊正瑀】   2017年01月16日 星期一

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在高齡少子化導致人口結構改變、智慧型終端滲透率提升以及聯網基礎建設普及的影響下,醫療領域逐漸朝向遠距醫療、居家照護、隨身監控等方向發展,促成了醫療電子因應遠距、行動化與自動化之產品發展趨勢。


新興醫療終端產品發展趨勢

高齡化社會及聯網環境日益成熟趨勢影響下,行動及穿戴式醫療逐漸興起,依裝置聯網及應用型態可區分為三大主要類型:1. 現有醫電產品連網/智慧化,如現有之血壓計、血糖計、計步器、體重計等產品以增加感測器及網路傳輸晶片方式轉化為聯網智慧終端;2.醫療機器人、睡眠床、遠距醫療偵測椅、穿戴式裝置等新興型態醫療終端產品;3. 新增生理感測功能或透過醫療應用App操控之既有泛用型行動裝置(如智慧型手機、平板、筆記型電腦等)跨界醫療應用。


現有醫電產品連網/智慧化

過去功能單一的醫療設備終端裝置可形成短距近身網絡BAN (Body Area Network),並以網際網路與醫療院所連結,成為提供整體醫療數據之一環,尤其是慢性病與高齡長者的起居尤需要長期監控管理及追蹤紀錄。


日系多家半導體或電子大廠如Mitsumi、Murata、Omron與Rohm等,已開始投入開發相關產品。例如增加了加速度感測器及連網晶片的體重計可量測體重、心跳,並傳輸至使用者的智慧型手機進行數據紀錄。


現有醫電普及程度高的主要產品如血糖儀與血壓計也已有廠商推出智慧連網機型。例如iHealth 血糖機可透過藍牙與Apple平板的App連線,紀錄使用者自行檢測的數據;Studio A與台灣福爾、臺北醫學大學合作推出的FORA血壓血糖檢測系統亦有類似功能,可將使用者測量的血壓、血糖數據紀錄於手機App,或是更進一步上傳到雲端照護平台,由醫護團隊提供諮詢服務。


新興型態醫療終端產品

醫療用途機器人

根據國際機器人聯盟(International Federation of Robotics;IFR)的分類與定義:「醫療機器人歸屬於服務型機器人,其能夠編制操作計畫,並依據實際情況確定動作程序,然後把動作轉換成操作過程的機械運動」。IFR還進一步將醫療機器人細分為四個產品項目,包括:診斷系統用途機器人、外科手術輔助機器人與放射線治療機器人、復健系統用途機器人以及其他類型醫療機器人。


診斷系統用途機器人可以運載微型診斷裝置進入人體內部,協助人體外部診斷設備進行疾病病況檢查;手術輔助機器人使用機器人技術輔助外科醫師進行手術中的相關流程;放射線治療機器人執行高能量放射線癌症腫瘤的照射治療;復健系統用途機器人可配合物理治療師進行個人化復健療程規劃及復健動作執行,有利於物理治療師觀察病患恢復情形。


其他類型醫療機器人中較具代表性的為輔助臨床診療的遠端臨場醫療機器人(Medical Telepresence Robot),可以擔負在醫院病房、病患家庭輔助看診,醫護人員可透過人機介面遠端控制醫療機器人並獲知病人即時狀況。


即時視訊終端設備

即時視訊可輔助遠距醫療更貼近臨床診療狀態,例如醫師或護理師可透過即時視訊方式給予患者諮詢及保健建議,理療復健師亦可透過視訊裝置線上指導運動復健的學習與動作矯正;此外,還可更進一步透過以高精細顯示裝置配合偵測生理數據的感測器,同時以量測數據輔助視訊畫面作為診斷參考。


例如,Sharp所推出的初期診斷支援系統,具備三個顯示面板,中間為醫生問診畫面,右邊會顯示相關數據波型,最左邊會有體溫、血管健康評估、體重、血壓、脈搏等測定結果。遠距醫療之效率與可行性的提升能使病人或醫師可以在醫院以外的場所進行診察,將促使醫療資源與服務從集中於醫療院所的現況中分散至其他場域。


居家照護輔助器材

除了個人隨身的穿戴式產品,居家醫療還可透過感測器與家具的結合成為偵測生理資訊的輔助器材。例如,在枕頭與床板上裝設動作感測、磁力感測器等與BT(Bluetooth)、NFC(Near Field Communication)等無線短距傳輸搭配,與智慧手持裝置串接後,即可偵測睡眠狀態,可藉此蒐集睡眠資訊來追蹤睡眠品質;溫度感測器則可測知臥床病患病情變化,及時給予相應之處置與治療;光感測器則可配合應用於判讀就寢時間等等。


另外,也有業者開始設計具備光源感測、可測量脈搏的座椅扶把或可偵測體重的沙發等,將使得生理監測不僅止於穿戴式裝置,更可延伸至居家家具之中,使得生理數據的檢測更直覺、更便利。


泛用型裝置醫療化

在穿戴式裝置混亂的競爭態勢下,健康醫療相關功能被視為能提升附加價值進而提高產品售價的重要方向。除了嘗試在產品中加入心律、體溫等生理感測器外,大廠們也紛紛開發後端應用平台以及應用App,以便穿戴式裝置能發揮貼身偵測之優勢,未來成為健康醫療布局中的重要端點。


各國政府亦已注意到泛用型裝置透過應用App的操控跨入醫療領域的趨勢,因此2013年美國FDA研擬了Mobile Medical Applications相關辦法,以促進泛用型裝置在行動醫療領域的推動,2014年4月歐盟也針對行動醫療徵求監管建議。至2014年底FDA已核准超過30項醫療、診斷相關App,使得泛用型裝置在醫療領域可因此進入實質應用階段。


醫療領域聯網技術發展趨勢

健康照護專用的無線通訊技術隨著行動醫療及遠距醫療而發展,以應用短距傳輸技術建構近身聯網環境「BAN (Body Area Network)」為重心。主要短距傳輸技術如Bluetooth、ZigBee、NFC、ANT等皆針對醫療領域之需求發展醫療用技術規格。


醫療短距無線傳輸技術

藍牙4.0版的發展重點在低功耗(Low Energy;LE),並分成Bluetooth Smart Ready、Bluetooth Smart與標準藍牙等三種規格,其中智慧手機是採用Bluetooth Smart Ready,而Bluetooth Smart則是鎖定健康醫療及智慧家庭應用,網路結構也將由星狀(Star)中心結構轉換成更符合移動式裝置的網狀(Mesh)結構。4.0版傳輸速度還分成正常規格的3Mbps及高速規格的24Mbps,傳輸距離延長到60公尺,並改善因高速傳輸而導致的高功耗問題。



圖一 : 未來醫療電子儀器設備皆可透過連網服務完整記錄醫療數據,以便長期監控管理。
圖一 : 未來醫療電子儀器設備皆可透過連網服務完整記錄醫療數據,以便長期監控管理。

Zigbee由家庭自動化(Home Automation)、大廈自動化(Building Automation)、工業自動化(Industrial Automation)等三大市場方向制定相關應用標準,其中家庭自動化、大廈自動化等兩標準發展方向將對應至醫療領域,並朝強化控制、節能、靈活、安全等特性持續推展。


ANT及ANT+為健康醫療專用之傳輸協定,相較於其他短距傳輸具有功耗上的優勢,但ANT+傳輸加密為64位元金鑰加密,遜於BLE以128位元演算加密方式,各個技術各有優劣,將可能形成同一裝置互補共存之型態,如BLE+ANT+雙模產品。


NFC主要應用於智慧型手機與穿戴式裝置等消費性電子產品間的短距資料傳輸,早期以行動支付應用為主,近期則往智慧醫療領域發展。NFC可與藍牙技術相互搭配,由NFC技術找尋可連之裝置,再透過藍牙技術傳輸欲交換的資料或內容。



圖二 : 醫療用短距無線傳輸術發展趨勢 (資料來源:資策會MIC,2015年10月)
圖二 : 醫療用短距無線傳輸術發展趨勢 (資料來源:資策會MIC,2015年10月)

醫療專用頻段

為了基於醫療領域的安全性及傳輸數據的特殊需求,各國政府已開始檢討由現行常用之ISM頻段 (Industrial Scientific Medical Band) 61GHz、24GHz、5.8GHz、915MHz、434MHz中區隔出醫療專用頻段如UWB(Ultra-wideband)、Sub GHz等,亦在行動醫療的崛起下被納入產品的設計製造考量之中。


表一 醫療專用頻段

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頻段

傳輸速度

傳輸距離

UWB

3.1GHz~10.6GHz

480Mbps

<30M

Sub GHz

低於1GHz的ISM頻段

>150Kbps

>1KM

(資料來源:資策會MIC,2015年10月)

關鍵零組件發展趨勢

醫療感測器發展趨勢

伴隨著多樣化智慧醫療終端設備的發展,感測器成為影響功能決定性的關鍵。醫療專用儀器中主要應用的感測器包括醫用CCD/CMOS影像感測器以及放射檢測儀器中的放射線感測、超音波感測器等,紫外線感測器則在醫療美容風潮的帶動下有相對較高的成長。


生理感測器則主要有脈搏、腦波、血糖及生物晶片感測器、微陣列等,生物晶片感測器、微陣列雖然已發展許久,但由於微機電技術障礙高,且應用在生體測試中並不具備價格競爭力,因此數量難有大量成長。


大量應用在穿戴式裝置的脈搏感測器、角速度感測器、加速度感測器等,雖目前在行動醫療的帶動下成長快速,但在缺乏明確應用帶動且測量技術精確範圍高低差異落差大的現況下,多僅供追蹤紀錄之用,未來如何將量測數據應用到實際醫療診斷流程之中將是另一項挑戰。


醫療用感測器所應用的量測技術包括電位差、壓力差、加速度及影像感測等,在穿戴式產品大量應用的現況下,附加脈搏量測功能之終端產品數量大幅增加,測量脈搏所使用的量測技術類型與精度也在陸續提升中。


醫療零組件標準發展趨勢

其他醫療相關重要零組件尚包括顯示面板、電池、運算IC等,除了朝向小型化、低耗能、高精密度等大趨勢發展,且由於醫用終端在技術及品質要求上需符合驗證品質基礎的ISO9001、ISO13485,此外尚須符合電性安全相關之規範IEC60601-1,以及GMP、510K、UL、CE等各區域或國家之檢驗標準,終端業者在選用零組件時相對保守且封閉,透過參與如Continua行動醫療聯盟,或各大廠各自推展的平台如Apple HomeKit、Google Thread、Qualcomm Allseen等,將是資通訊業者切入醫療領域的重要途徑。


其中Continua行動醫療聯盟為目前發展行動醫療中具重要影響力的聯盟,其成立目標為推動共通技術標準 以確保通過認證的醫療電子裝置/產品皆能順利互通、相容使用。Continua行動醫療聯盟由Intel、IBM、GE、Omron等資通訊大廠發起,目前成員廠商已超過二百個,涵蓋Intel、IBM、GE、Nokia、Oracle、Cisco、Qualcomm、Sony、Samsung、Sharp、Philips、Fujitsu、Omron等上游晶片到下游終端的重量級資通訊大廠,Bluetooth及ZigBee技術標準聯盟亦以成員身分積極參與,對於醫療領域產品互通性的提升將產生重大影響力,對通過Continua聯盟認證之終端產品也將於市場的擴大與普及產生助益。


結論

泛用型終端需提升量測精度與互通性


圖三 : 終端間的互通與後端連結之應用將是影響泛用型終端能否順利轉化為醫療領域應用裝置之重要關鍵。
圖三 : 終端間的互通與後端連結之應用將是影響泛用型終端能否順利轉化為醫療領域應用裝置之重要關鍵。

在醫療電子產品中,目前數量成長較快的屬於穿戴式以及透過App跨入醫療領域的泛用型終端裝置,這些行動醫療終端多屬於非侵入式偵測方式測得生理資訊,如何排除偵測過程中的雜訊提升量測準確度將是泛用型裝置能否切入醫療領域的初步門檻。


由於產品結構及應用技術與台灣業者擅長之資通訊產品較為類似,預期如智慧手錶、智慧手環、智慧衣等智慧穿戴裝置將是較多台灣業者的發展方向,在硬體終端業者競相增加感測器數目與種類以求產品差異化之際,心律感測及體溫感測常被視為將產品推入健康醫療領域之入場券。然而在缺乏應用服務的配合之下,感測器所測得之生理資訊僅能作為使用者生活習慣之參考資訊,無法成為有效之輔助診斷或醫療參考資訊。


各終端之間的互通以及與後端可連結之應用服務將是影響泛用型終端設備能否順利轉化為醫療領域應用裝置之重要關鍵,因此,對於目前醫療領域中發展的技術聯盟,如Intel、IBM、GE、Omron等大廠發起的Continua行動醫療聯盟,以及各大廠為提升IoT產品間的互通性所推展的平台如Apple HomeKit、Google Thread、Qualcomm Allseen等,透過技術平台間的交流合作提升產品之可用性,尋求終端產品發展機會。


(本文作者為資策會MIC資深產業分析師)


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