藉助MCU与开发板 加速孕育医疗穿戴装置

2016/11/17 - DIGITIMES企划

环顾医疗穿戴与健康管理装置的特性，讲究的重点不外是低成本、高效能、续航时间长，以及高整合度(体积小)，都意谓着相关设备所选用的微控制器(MCU)，必须能够顺应前述严苛要求，遂使得ARM架构的32位元MCU，在近年声势跃起。

所谓医疗穿戴与健康管理装置，常见的定义是，将非侵入式生理信号量测技术融合到人们平日穿戴的衣服、物件里头，这些装置通常具备很高的可携性，也能够长时间监测人体的生理情况，尤其适合被运用在慢性病监测、睡眠质量监测、家庭护理保健等情境，意在及早发现慢性或隐性疾病的徵候，以利于患者及早接受诊疗，提升治癒的机率。

近几年来，医疗穿戴与健康管理装置市场愈趋火热，不管是身经百战的老将，抑或初生之犊的新秀(Startup)，都竞相推出相关设备抢滩市场，连带也孕育出许多备受瞩目的明星产品，挟着不同的应用诉求各展所长。

非侵入式穿戴装置  如雨后春笋大量涌现

包括Owlet、Sproutling等两家业者，都不约而同锁定婴儿监控市场，先后推出了智能Baby Monitor产品，其中Owlet将Monitor融入智能袜，而Sproutling则推出智能踝环，尽管穿戴的部位有别，但功能可谓殊途同归，皆能够监测婴儿的体温心跳、动作、位置、睡眠姿势，乃至于睡眠情绪，同时可根据婴儿的成长纪录，预测婴儿苏醒的时间；另值得一提的，这些Monitor设备尚可监测室内环境的温度、湿度、亮度与噪音量，以研判是否肇因于环境欠佳，而对婴儿的身心状况有不利影响。

至于InteraXon公司推出的Muse，则是一款脑波(EEG)侦测头带，其运作方式是藉由蓝牙，将脑波信号传到手机APP，此时使用者只要闭上双眼(此举有助于让脑波进入低杂讯状态)，聆听APP所提出的语音提示，练习让大脑进入专注而放松的状况，从而改善专注力与记忆力。

美敦力(Medtronic)推出的实时连续型血糖监测仪(Continuous Glucose Monitoring Systems；CGMS)，由葡萄糖生物传感器、血糖记录器、线缆、信息采集器、分析软件等五大关件元件所组成，其可连续监测达3天，只要将检测探头黏贴在使用者的腹部，则每隔10秒钟即会对皮下间液的葡萄糖浓度执行一次量测，然后透过无线通讯方式，将所得数据传送到接收器。

新创公司TZOA，分别针对专业市场、消费市场推出TZOA-Research与TZOA-Consumer等两项随身环境传感装置，就外观来看，它们像是可以被夹在衣服或背包上的小钮扣，但都有能力传感各种外在环境变化，譬如紫外线、湿度、温度、空气品质，搭配其提供的手机APP，可协助使用者记录量测数值，并实时描绘当地环境品质的地图与路径，以便于使用者知所规避恶劣路径，巧妙选择在夏季少日晒、冬季多日晒的通勤路线。

SPO Medical推出的PulseOx 6000手指血氧探测器，则能连续长时间执行监测达500小时之久，且使用便利性甚高，使用者仅需将该装置套在手指上，便可实时监测心率与血氧饱和度，可靠度之高，不会逊于血压计、体温计等成熟产品。

打造医疗穿戴产品  MCU堪称关键

综观上述所列举的林林总总产品，其实不难归纳出一些共通特徵，包括了它们都是采取非侵入方式检测生理信号，透过有线或无线通讯方式串联使用者、医疗人员与数据中心，也都具有高度的安全可靠性，而且电池续航的时间都不短，此外，它们的体积尺寸并不算大，故具有很好的携带便利性。

显而易见的，要设计出兼具上述种种特徵的医疗穿戴与健康管理装置，针对个中MCU的选型，即显得相当重要，不仅低本要低、效能要高，也必须具有高度的整合性，以及优异的休眠效率；此处所谓的休眠效率，一般的检视标准，不外乎落在三大指标，首先讲求是否提供多样性的休眠模式选项，其次则是看休眠功耗是否够低，再来是唤醒时间是否够短。

说起低成本，有些厂商会直觉想到8或16位元的MCU，但前者与穿戴式医疗装置的发展趋势，其实并不吻合，因此市场正快速流失中，取而代之的，则是植基于ARM Cortex-M系列核心的32位元MCU。

因此很清楚的，穿戴式医疗装置的设计制造商，值得考量采用的MCU，就落在16位元MCU，以及基于ARM Cortex-M核心的32位元MCU范围内，相关供应商相当之多，举凡颇具知名度的意法半导体(ST)、恩智浦半导体(NXP)、德州仪器(TI)、Silicon Labs、Microchip等等业者，都有推出相关产品，且MCU品项不在少数。

比方说TI 的MSP430系列16位元单芯片产品，一向以超低功耗着称于市场，并内建高精准度类比功能，可协助工程师设计出体积小、效能高且蕴含丰富功能特色的装置；尽管如此，近年来不少制造商开始朝向32位元MCU倾斜，主要理由有二，其一是穿戴式医疗装置往往需要仰赖芯片执行数据处理、复杂演算法，由以Cortex-M系列为核心的32位元MCU来承担这些任务，比起16位元MCU，理当是更恰当的选择；其次，16位元MCU傲人的低功耗功能，如今相较于Cortex-M系列，并无显着差距。

以意法半导体的STM32L系列MCU(基于ARM Cortex-M核心)为例，其休眠功耗几乎与一些以低功耗着称的16位元MCU不相上下，至于休眠状态下的唤醒时间，也同样达到10 μs以下的优良水准；由此可见，以Cortex-M为核心的32位元微控制器，低功耗表现堪与16位元MCU旗鼓相当，但在运算效能方面则略胜一筹，因此无庸置疑的，此类高效低功耗的MCU，非常适用于医疗穿戴与健康管理装置。

善用物联网开发板  缩短产品开发周期

若锁定ARM Cortex-M系列，可被归类为低功耗家族者，大致包含了M3、M0和M0+等三款核心，其中Cortex-M0是早年击退一干8位元MCU，成功抢进低端MCU市场的头号功臣，然而若论及高效低功耗特性，后进的Cortex-M0+都明显优于M0，而它的运算效能虽然不及M3，但由于价格较低，故性价比条件之优异，依然为三款核心之最，与穿戴式医疗装置所讲究的低成本、低功耗、高效能特性，也最能全面契合。

至于另一项对于穿戴式医疗装置也相当重要的条件－高整合性，则端视个别厂牌产品型号而定。举例来说，意法半导体基于Cortex-M0+核心的产品，虽然都同样归属在STM32L0系列，但系列之中仍再细分不同型号，其中位阶较高的STM32L0x3，便同时内建12位元DAC控制器、USB 2.0控制器及LCD控制器，所能支持的外接周边装置最为丰富，故就整合度而论，该款产品明显较STM32L0系列家族的其他成员来得高。

当然，意欲打造穿戴式医疗装置成品，光是倚靠MCU不足以成事，尚需仰赖传感器、类比前端(AFE)等其余关键元件，着眼于此，众家芯片供应商纷纷推出整合式解决方案，搏取产品设计者的青睐；例如意法半导体便祭出Nucleo开发板，一举整合32位元MCU、MEMS传感器、AFE模块、无线通讯芯片等重要元件，也搭配软件程序库(Library)，共组一套参考设计，旨在协助设计者加快工作时程。

除了国际大厂外，部分台湾厂商也加入物联网开发平台战局，譬如联发科技的LinkIt Smart 7688、LinkIt Smart 7688 Duo开发板(后者适用于具有Arduino或Arduino Yun经验的开发者)，便受到开发者及Maker的热烈回响，有助于这群使用者加速推动概念成形，打造出富含创意的穿戴式产品。


图说：不论是Owlet藉由智能袜型式推出的Baby Monitor产品，乃至其他非侵入式医疗穿载装置，都讲求低成本、低功耗、高效能、高整合度等功能特色。(来源：Owlet)