因自我身心狀況量測成為全球趨勢，身心健康相關(guān)的穿戴裝置遂快速興起，而將既有傳感器整合在可穿戴設(shè)備上的做法，已經(jīng)蔚為風(fēng)潮
作者：楊士菁 神念科技事業(yè)開發(fā)經(jīng)理
目前常用的感測技術(shù)包括陀螺儀（Gyroscope），可感測水平改變；三軸重力加速器（3 Axis Accelerometer），用以感測動作、走路或姿勢的變化；計步器（Pedometer）用來計算步數(shù)；全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）接收器感測所在地理位置；以及麥克風(fēng)可接收語音或聲波等。
上述傳感器于市面上健康穿戴裝置的應(yīng)用，大多是運動、健身、減肥及睡眠品質(zhì)等生理量測。未來，健康穿戴裝置將陸續(xù)加入體溫、脈搏血氧濃度、心率、心電圖以及酒精濃度量測等，甚至還可望整合血壓、血糖等生理傳感器，以便隨時隨地追蹤健康狀況。
整合人體內(nèi)/外訊息 心智感測技術(shù)貼近情感需求
下一代健康穿戴裝置的創(chuàng)意核心，在于要能打破穿戴裝置在身、心量測及分析的界線，不但可以量測生理訊號，還可以量測心理狀態(tài)。融合外在與內(nèi)在量測結(jié)果的解決方案，可以擷取、量化、呈現(xiàn)和追蹤生/心理訊號，讓用戶更深入覺察自己的身心狀況。
穿戴技術(shù)的突破在于實現(xiàn)智慧化，除了結(jié)合巨量數(shù)據(jù)（Big Data）及物聯(lián)網(wǎng)（IoT）達(dá)到情境感知（Context Awareness）目的之外，理解人們的心智活動將可以改變?nèi)藱C（Human Computer Interface）互動模式。
過去的情境感知著重于行動設(shè)備和外在環(huán)境的互動，透過外在傳感器，例如提醒用戶所在地理位置等信息，來滿足用戶下一步所需；而更智慧化的穿戴技術(shù)則須要借由感測心理訊號，以進(jìn)一步和人的內(nèi)在情感互動，例如用戶緊張時，裝置會提醒其放松心情，調(diào)節(jié)呼吸或播放紓壓音樂。
創(chuàng)新使用功能 強化穿戴式產(chǎn)品獨特性
腦電感測技術(shù)除了以心電芯片量測生理訊號，并透過算法得知心率、呼吸率及壓力程度等訊息之外，還可進(jìn)一步感測人的心智活動，使穿戴裝置更智能、更人性化。盡管人機接口越來越發(fā)達(dá)，但人還是必須屈就于機器，因此腦機接口（Brain Computer Interface）技術(shù)的愿景便是讓機器能配合人類，讀懂人類的“心”。
穿戴產(chǎn)品若要實現(xiàn)差異化，須提供創(chuàng)新的使用情境。如配備心電芯片的穿戴裝置，除了可追蹤游戲玩家的健康狀況外，還可讓游戲更具挑戰(zhàn)性，如借由心電感測技術(shù)記錄心跳頻率，一旦玩家因緊張而心跳加速則游戲困難度增加；或由腦電感測技術(shù)量測腦電波，經(jīng)由算法演繹，若情緒越放松則游戲主角的生命力恢復(fù)越快，反之注意力越不集中游戲困難度便增加。
再以汽車產(chǎn)業(yè)為例，現(xiàn)階段智能穿戴式產(chǎn)品主要以呈現(xiàn)汽車油耗、平均時速等駕駛必要信息為優(yōu)先，未來若結(jié)合心電感測技術(shù)記錄心電活力指數(shù)，將能避免因疲勞駕駛、超時工作所導(dǎo)致的意外。
解析數(shù)據(jù)意涵 算法實現(xiàn)多元感測應(yīng)用
心電感測技術(shù)不只能用在量測心跳，真正的創(chuàng)新來自于提供精準(zhǔn)的心電圖信息，并可進(jìn)一步呈現(xiàn)如心跳變異率（Heart Rate Variability， HRV）般兩次心跳時間的微小變化。
心電圖（ECG）提供清晰的電波圖，是偵測心跳變異率最精確的方法。最常用的心率變異分析是根據(jù)心電圖中的R波，計算出相鄰R波之間的時間間隔形成一個時間序列。一般而言，較高的HRV代表身體有著較高的自主神經(jīng)調(diào)適能力，因此有較強健的身體。
目前常用的感測技術(shù)包括陀螺儀（Gyroscope），可感測水平改變；三軸重力加速器（3 Axis Accelerometer），用以感測動作、走路或姿勢的變化；計步器（Pedometer）用來計算步數(shù)；全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）接收器感測所在地理位置；以及麥克風(fēng)可接收語音或聲波等。
上述傳感器于市面上健康穿戴裝置的應(yīng)用，大多是運動、健身、減肥及睡眠品質(zhì)等生理量測。未來，健康穿戴裝置將陸續(xù)加入體溫、脈搏血氧濃度、心率、心電圖以及酒精濃度量測等，甚至還可望整合血壓、血糖等生理傳感器，以便隨時隨地追蹤健康狀況。
整合人體內(nèi)/外訊息 心智感測技術(shù)貼近情感需求
下一代健康穿戴裝置的創(chuàng)意核心，在于要能打破穿戴裝置在身、心量測及分析的界線，不但可以量測生理訊號，還可以量測心理狀態(tài)。融合外在與內(nèi)在量測結(jié)果的解決方案，可以擷取、量化、呈現(xiàn)和追蹤生/心理訊號，讓用戶更深入覺察自己的身心狀況。
穿戴技術(shù)的突破在于實現(xiàn)智慧化，除了結(jié)合巨量數(shù)據(jù)（Big Data）及物聯(lián)網(wǎng)（IoT）達(dá)到情境感知（Context Awareness）目的之外，理解人們的心智活動將可以改變?nèi)藱C（Human Computer Interface）互動模式。
過去的情境感知著重于行動設(shè)備和外在環(huán)境的互動，透過外在傳感器，例如提醒用戶所在地理位置等信息，來滿足用戶下一步所需；而更智慧化的穿戴技術(shù)則須要借由感測心理訊號，以進(jìn)一步和人的內(nèi)在情感互動，例如用戶緊張時，裝置會提醒其放松心情，調(diào)節(jié)呼吸或播放紓壓音樂。
創(chuàng)新使用功能 強化穿戴式產(chǎn)品獨特性
腦電感測技術(shù)除了以心電芯片量測生理訊號，并透過算法得知心率、呼吸率及壓力程度等訊息之外，還可進(jìn)一步感測人的心智活動，使穿戴裝置更智能、更人性化。盡管人機接口越來越發(fā)達(dá)，但人還是必須屈就于機器，因此腦機接口（Brain Computer Interface）技術(shù)的愿景便是讓機器能配合人類，讀懂人類的“心”。
穿戴產(chǎn)品若要實現(xiàn)差異化，須提供創(chuàng)新的使用情境。如配備心電芯片的穿戴裝置，除了可追蹤游戲玩家的健康狀況外，還可讓游戲更具挑戰(zhàn)性，如借由心電感測技術(shù)記錄心跳頻率，一旦玩家因緊張而心跳加速則游戲困難度增加；或由腦電感測技術(shù)量測腦電波，經(jīng)由算法演繹，若情緒越放松則游戲主角的生命力恢復(fù)越快，反之注意力越不集中游戲困難度便增加。
再以汽車產(chǎn)業(yè)為例，現(xiàn)階段智能穿戴式產(chǎn)品主要以呈現(xiàn)汽車油耗、平均時速等駕駛必要信息為優(yōu)先，未來若結(jié)合心電感測技術(shù)記錄心電活力指數(shù)，將能避免因疲勞駕駛、超時工作所導(dǎo)致的意外。
解析數(shù)據(jù)意涵 算法實現(xiàn)多元感測應(yīng)用
心電感測技術(shù)不只能用在量測心跳，真正的創(chuàng)新來自于提供精準(zhǔn)的心電圖信息，并可進(jìn)一步呈現(xiàn)如心跳變異率（Heart Rate Variability， HRV）般兩次心跳時間的微小變化。
心電圖（ECG）提供清晰的電波圖，是偵測心跳變異率最精確的方法。最常用的心率變異分析是根據(jù)心電圖中的R波，計算出相鄰R波之間的時間間隔形成一個時間序列。一般而言，較高的HRV代表身體有著較高的自主神經(jīng)調(diào)適能力，因此有較強健的身體。
許多科學(xué)研究顯示，高頻HRV與自主神經(jīng)系統(tǒng)中的副交感神經(jīng)活動有關(guān)，而低頻段的HRV與交感神經(jīng)活動有關(guān)。研究指出，副交感系統(tǒng)有助于身體的放松及恢復(fù)，而交感神經(jīng)系統(tǒng)則顯示人們在壓力下興奮或緊張的狀態(tài)。腦電感測技術(shù)算法可以解讀并反映人們心理狀態(tài)變化，例如專注度、放松度、熟悉度與困難度等。
健康穿戴可應(yīng)用在過動兒訓(xùn)練游戲，也可以隨時隨地透過游戲互動，達(dá)到放松療愈或者鍛煉大腦。透過量測人們的內(nèi)在情緒，電影業(yè)者可得知觀眾的實際感受，電影情節(jié)將可能隨著所有觀眾的心情而改變結(jié)局，未來還可以量測哪些電影橋段最受觀眾喜愛或激賞的程度。
熟悉指數(shù)能測量人們在執(zhí)行任務(wù)過程中獲取知識及經(jīng)驗的程度，其工作內(nèi)容是否已經(jīng)游刃有余。這個任務(wù)可以是指身體體力上的表現(xiàn)，也可以是指心理認(rèn)知上的表現(xiàn)。透過這個算法，可以描述出學(xué)習(xí)及認(rèn)知的進(jìn)步程度。
困難指數(shù)則測量人們在執(zhí)行任務(wù)過程中大腦的努力程度，工作內(nèi)容是否極具挑戰(zhàn)須要絞盡腦汁。利用這個算法，人們可以實時對任務(wù)的困難程度進(jìn)行評估及調(diào)整。此外，更多關(guān)于學(xué)習(xí)的困難與熟悉程度量測，或是針對職場技能需求而推出創(chuàng)新應(yīng)用將陸續(xù)開展，透過算法可改給未來更多的想象。
完整解決方案助力 健康穿戴產(chǎn)品加速上市
如何準(zhǔn)確量測人們的心、腦健康，對人類整體健康至關(guān)重要，因此穿戴式產(chǎn)品制造商無不積極搶進(jìn)。研究預(yù)估，到2017年全球?qū)⒊霈F(xiàn)六億四千萬個穿戴式設(shè)備，主要用來監(jiān)測人類的身心健康。涵蓋產(chǎn)品類型從可穿戴的健康追蹤設(shè)備、放松冥想觀測設(shè)備、睡眠監(jiān)測設(shè)備、心臟狀況追蹤設(shè)備，到智慧手表、眼鏡、手環(huán)以及衣帽等。
欲達(dá)成系統(tǒng)快速整合并縮短產(chǎn)品上市時程，需要完整的解決方案，也就是同時提供芯片、算法以及軟件開發(fā)工具，甚至是云端整合服務(wù)（圖2）。完整解決方案應(yīng)包含創(chuàng)新的感測技術(shù)、算法及低成本、低功耗的系統(tǒng)單芯片（SoC）。
以神念科技的SoC為例，其整合先進(jìn)的低噪聲模擬前端放大電路、16位高精確模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），以及高效能的數(shù)字信號處理器（DSP），可以精準(zhǔn)采集從微伏特（μV）到毫伏特（mV）的心電訊號；芯片內(nèi)建高通濾波器、低通濾波器以及50Hz與60Hz的陷頻濾波器，除了可抗高頻噪聲，內(nèi)建的直流漂移消除濾波器，可以進(jìn)一步消除因輸入端阻抗不匹配所產(chǎn)生的直流飄移。
心電感測SoC不須要額外整合其他被動組件或是處理器，就能快速輸出心跳以及準(zhǔn)確的初始心電訊號，并具備低功耗（整個心電系統(tǒng)功耗《0.2毫安）、小體積（3毫米×3毫米）、零初始韌體配置需求以及快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)（《1.5s）的特性。
腦電感測技術(shù)模塊包括TGAT芯片，該芯片是高度整合的SoC腦電傳感器，可以輸出專注、放松等參數(shù)，并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，檢測接觸不良的異常狀態(tài)，同時過濾掉眼動噪聲，及電路中50Hz和60Hz交流電訊號干擾。
軟/硬件高度整合 穿戴裝置開創(chuàng)新商機
體積與功耗一直是穿戴式技術(shù)關(guān)注的議題，據(jù)國外研究指出，穿戴式產(chǎn)品的瓶頸在于耗電量，然而解決的關(guān)鍵卻在于算法而非神奇的電池，只要事先將原始數(shù)據(jù)做初步的運算就可以減少耗電，由此可見算法的重要。
在硬件方面，如何將有感的傳感器做到穿戴時無感，是制造商的一致目標(biāo)，因而需要高整合、小尺寸的SoC。下一步則是提供殺手級應(yīng)用，這主要來自經(jīng)過驗證的算法；最后，再整合感測芯片及算法，以搶得穿戴式市場先機。
穿戴技術(shù)的未來，在于內(nèi)在認(rèn)知與外在環(huán)境感測的結(jié)合、身體與心理量測的結(jié)合、理性與感性的結(jié)合，并可在穿戴式裝置之間以人性串連達(dá)到智慧感知。
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