隨著雲端科技興起，能源短缺與高齡化社會的來臨，未來半導體產業需與其他異業整合，如能源科技、醫療科技，以面臨未來人類的需求。以醫療產業為例，過去醫療器材主要對象為病人，使用單位主要為醫療院所，然隨著人類生活品質的提升，若能將醫療器材從治療，擴大為健康照護與管理，將有助於降低國家醫療資源的浪費與成本。因此透過雲端人工智慧提供醫療服務，與半導體實現穿戴式物聯網(IoT)醫療電子產品，以達到隨時隨地健康照護的功能，將有機會帶動國內另一波的產業契機，走向「醫電園」藍圖。
建構穿戴式物聯網系統暨平台
智慧型裝置的普及以及半導體技術的進步，帶動許多穿戴式的裝置因應而出，如搭配耳機、手環或手表進行血氧濃度偵測、搭配心率帶進行心跳偵測、呼吸帶進行呼吸偵測，且搭配智慧裝置進行人機介面的互動與雲端資料的傳輸，進而透過雲端大數據分析，了解使用者健康狀況，提供醫療照護服務。通常建構此服務情境，主要需具備三項技術(圖1)，包含：
1.穿戴式裝置端：透過系統晶片或晶片系統整合技術，可縮小生理訊號檢測裝置，利用穿戴載具如耳機、手表、衣服，進行生理訊號檢測。
2.智慧型裝置端：透過App軟體的開發，進行生理訊號的顯示與即時的分析，提供使用者隨時監控健康指數，達到即時健康照護的目的。
3.伺服器設備端：透過人工智慧的學習，進行健康大數據的分析，提供健康指數預測的資訊，達到長期健康監控與預防疾病發生的目的。
建置此穿戴式物聯網系統與平台，可以透過不同訊號的檢測，如心率、呼吸、血氧、血壓與體溫等；不同載具的整合，如智慧衣、寵物衣、智慧手表；不同無線傳輸系統，如藍牙、Wi-Fi、4G，將所檢測的生理訊號傳輸至智慧型裝置，如智慧手機或平版電腦，以及雲端健康照護系統，如人工智慧伺服器。應用至生活不同層面上，提供相關的健康服務。
本文將透過「具人工智慧之穿戴式物聯網系統與平台」應用，介紹相關產品應用之雛型，如24小時無線心律監控晶片系統、智慧衣、智慧寵物衣、智慧醫療聽診器、癲癇腦波偵測與刺激系統、智慧穿戴式物聯網開發模組、車用電子疲勞偵測系統、智慧寶貝衣、具可攜式無線尿液檢測與預防心血管疾病之晶片系統與平台、智慧畜牧牛隻穿戴系統。透過以上產品雛形的介紹，將有助於實現智慧醫療普及的目標。
無線ECG系統不間斷監控人體健康
「24小時無線心律監控晶片系統」(圖2)為即時檢測人體心電訊號(Electrocardiogram, ECG)之感測系統，透過生理檢測晶片的核心技術，構成貼身感測模組來偵測配戴者的心電訊號，並藉由藍牙傳輸系統將資訊無線傳輸到智慧型手機端，再由手機應用程式完成後續的分析與計算，並將主要結果呈現於手機螢幕上。透過此生醫檢測晶片及相關軟硬體之結合應用，便可隨時隨地監測與關注使用者之生理狀況，並成為使用者的貼身守護神。即時偵測、便於攜帶、易於使用將為本系統之特色。
智慧衣藉大面積接觸提供多種訊號
在高齡化社會中，結合穿戴式系統與物聯網概念建構成穿戴照護系統，為一極具市場潛力的發展方向。而在穿戴照護應用中，智慧衣占有許多先天上的優勢。首先，與大部分穿戴物品如手表、皮帶等不同，衣物為日常生活中必需品，所以此穿戴裝置較能被一般人所接受。同時，衣物與人體有著較大面積的接觸，能提供較多種類之生理訊號量測，有效發揮穿戴式系統的潛能。因此，透過電子檢測與紡織衣物的結合，可發展智慧衣系統(圖3)。此系統需使用高舒適度的紡織電極來提供心電訊號與呼吸訊號的量測，並透過藍牙將訊號傳送至手機，最後進行身體相關資訊分析如卡路里消耗、心跳變異率等情緒分析。
智慧寵物衣助飼主確保毛孩健康
智慧寵物衣之設計，可結合動物衣與感測器，建立一無線生理訊號感測系統(圖4)，利用前端偵測器偵測寵物心電訊號以及呼吸訊號，並透過演算法將其轉為情緒、心跳變異率(HRV)等多項資訊，提供寵物主人以及獸醫在動物醫療方面的參考，而情緒指標，更能讓飼主進一步了解寵物的心理狀態。此設計主要採用穿戴式及物聯網的概念，並搭配完整軟體平台，可以讓使用者藉由網頁(Web)或應用程式(App)平台，讓飼主即時掌握寵物之生理資訊，同時將資料儲存於雲端資料庫中，可瀏覽寵物之歷史生理狀態，更可以透過這樣的訊息平台與獸醫交流，進一步關心寵物的健康狀況。此系統不僅運用在寵物醫療方面，更可以與其他愛寵人士建立互相交流的平台。
智慧聽診器使醫療診斷快/狠/準
為了協助醫師更迅速且準確地診斷，以及幫助醫學院學生在聽診經驗之養成與學習上有更可靠的依據，智慧聽診器提供醫師學習與健檢照護的輔具(圖5)。此裝置具備同時量測心音訊號與心電訊號之能力，並將訊號視覺化呈現於智慧型手機上，進而確認心音訊號的狀態。倘若有異常情形出現，傳統上只能完全仰賴醫生之經驗，但利用智慧聽診器能夠視覺化記錄之優勢，醫師可能夠即時藉由訊號結果來判斷可能的心臟疾病。倘若病患於診斷期間有心律不整之情形發生，如心室頻脈，也能藉此驗證理學檢查上所可能衍生之異常心音表現。
癲癇腦波偵測與刺激系統經藍牙傳輸訊號
癲癇為常見的神經系統疾病之一，主因為腦部神經細胞不正常放電所引起之症候群。目前癲癇之治療以口服藥物為主流，但藥物治療效果不彰。近期許多研究中，以顱內植入式電刺激為發展方向，「癲癇腦波偵測與刺激系統」包括腦波訊號量測及電刺激模組(圖6)。透過B6小鼠進行動物實驗，系統使用植入式電極收集小鼠腦波訊號，並經由藍牙(BLE 4.2)將訊號傳送至電腦，於電腦端配合客製化的軟體進行演算法分析數據，即時進行癲癇辨識，並利用電流式數位類比轉換器於確認癲癇訊號進行神經刺激，實現量測腦波及以光、電刺激抑制癲癇之系統。此植入式系統亦可作為神經調控系統，穿戴在體外載具上進行體外刺激，在醫療的研究上已證明適當的體外刺激具有減緩疼痛、提高睡眠與減肥的效果。
智慧穿戴式物聯網開發模組引領生醫進展
智慧穿戴式物聯網開發模組(圖7)是一個具有穿戴式物聯網設計的生醫晶片開發模組，具有低功耗、微小化以及物聯網化的設計，並且能提供高品質的生理訊號檢測，包括心電訊號、腦電訊號、肌電訊號等十餘種人體的生理訊號。開發者透過此產品，可以快速地開發出應用於生醫領域之穿戴式產品，縮短產品的開發時間並降低開發成本。
除此之外，不同的訊號以不同的模組進行訊號處理，開發者可以依據自身之開發需求，自由地組裝模組，如同組裝「智慧積木」一般。透過此模組可以幫助開發者能更輕易地實現其設計構想，開發出產品雛型，蓬勃生醫穿戴式產品之領域發展。
車用電子疲勞偵測系統提升交通安全
「車用電子疲勞偵測系統」(圖8)是一種能夠檢測駕駛員真實疲勞程度和生理狀況的即時系統裝置，能擷取、整理駕駛的生理資訊並顯示於線上監控平台。此系統可以監測駕駛員的基本生理訊號，如心電訊號、光電容積描述訊號(PPG)、血壓和血氧飽和度，並透過人工智慧/機器學習(AI/Machine Learning)演算法計算後，得知駕駛員的真實疲勞指數。透過物聯網技術，本系統可以將駕駛員各項生理數據，即時地儲存在雲端資料庫。除了可以在線上監控平台顯示相關資訊外，隨著生理資料的更新與積累，還可以進行機器學習，進一步訓練疲勞指數的判斷演算法，以提升判斷準確率，讓線上監控平台可以精準掌握所有駕駛員的疲勞資訊，以便提醒、監控、調度司機，期望能夠提高大眾運輸交通安全。
智慧寶貝衣貼近嬰兒感受
「智慧寶貝衣」之設計，可結合嬰兒包巾與感測器，建立無線生理訊號感測系統(圖9)，利用前端偵測器偵測嬰兒心電訊號、聲音訊號以及姿態訊號，並透過AI演算法將其轉為情緒、哭聲原因等多項資訊，提供給父母參考以及嬰兒照護方面上的用途。而情緒指標及哭聲原因，更能讓照護者進一步了解嬰兒的心理狀態。此設計應用穿戴式、物聯網及人工智慧的概念，並搭配完整軟體平台，可以藉由網頁或應用程式平台，讓父母即時掌握嬰兒之生理資訊，同時也將資料儲存於雲端資料庫中，可瀏覽嬰兒之歷史生理狀態，更可以透過這樣的訊息平台，與醫生交流，進一步地關心嬰兒的健康狀況。
可攜式無線尿液檢測/抗心血管疾病IC護健康
過去十年，心血管相關疾病持續占據全球死因之首，且維持在國人死因的前三名，顯示這是一個世界各國尚未找到有效預防方法的棘手疾病，由於這是一個致死率相當高的疾病，如何早期發現疾病便成為相當重要的課題。若能建構一套應用於居家照護/社區篩檢的「可攜式無線尿液檢測與預防心血管疾病之晶片系統與平台」(圖10)，可方便且快速監控心血管的健康狀況，預防心血管病症及其併發症發生。此系統需透過整合系統晶片、微電極與微流道晶片感測尿液中多項心血管疾病相關危險因子的濃度，並將資料無線傳輸到平台，結合臨床醫學的研究成果評估心血管疾病的風險，由合作的醫療機構人員透過平台給予使用者專業的醫療建議，即可達到預防診斷與居家照護的效果。
智慧畜牧牛隻穿戴系統減少資源浪費
台灣最常見的乳牛為具有黑白斑點的荷蘭牛，這些來自歐洲的牛種，適應於溫帶的氣候，也就是攝氏4.5度~15度的生活環境，不過台灣為亞熱帶氣候，高溫時有可能超過36度，加上潮濕的氣候，可能會讓牛隻食慾不振，或是產乳量下降，也可能使牛隻生病，所以建構一個牛隻照護系統至關重要。「智慧畜牧牛隻穿戴系統」主要偵測、分析乳牛身上的生理訊號，並進一步為乳牛建構一個完整的照護系統，該系統能探測牛隻的健康情形，進而了解母牛發情的狀況，以利畜牧場掌握牛隻生理資訊，讓管理者管理牛群上更加輕鬆，減少不必要的人力與資源浪費。與寵物衣系統一樣，此系統需要建構生理檢測裝置、手機平台顯示裝置、雲端分析設備，如系統架構圖便可使用溫度感測、陀螺儀與心電感測器。
其中，溫度感測可得知牛隻的體溫，陀螺儀能了解牛隻的運動狀態、反芻的情形，藉由心電感測器可分析乳牛當前的身體情況。透過牛隻穿戴裝置的隨時偵測，能在第一時間得知牛隻的身體狀況，並可以運用於發情偵測。經過時間累積數據，即可獲得牛隻長期的身體狀況，確保牛隻的健康，獸醫在健檢時也可以更快速掌握問題牛隻。牛隻穿戴裝置也讓畜牧場可以靈活調動人力，透過系統的管理平台，減少人為疏失。
生理訊號感測帶動醫療電子發展
隨著科技不斷演進，如前面所介紹的各種穿戴式裝置與應用，此晶片系統與物聯網整合技術，已經成為相關應用領域的顯學。在醫療電子相關領域，更是受人注目。由於穿戴式裝置可以長時間收集資料，並可將資料回傳到雲端服務，更可以於第一時間，將相關分析資料顯示給使用者，讓使用者以很簡單的方式，清楚知道自己身體的狀況。因此穿戴式裝置中內建生理訊號感測裝置，將可帶動醫療電子的成長，並改變人類未來的醫療行為，且可降低政府未來在醫療照護的支出，透過穿戴式裝置與身體感測網路的開發，將可實現穿戴設備貼身守護健康的願景。然而此目標尚有需多技術門檻需要克服，包含：
1.低功耗與高解析度生理訊號擷取系統晶片技術，其中移動(Motional Artifact)與低頻雜訊的濾除為首要目標。
2.低功耗無線傳輸與接收系統晶片，可採用低功耗藍牙(BLE)或自行開發低功耗振幅調變(OOK)或頻率調變(FSK)傳輸系統，以增加穿戴式模組的使用時間。
3.數位訊號處理疾病辨識系統晶片，透過人工智慧邊緣運算(Edging Computing)技術，可即時提供初步訊號辨識結果，作為使用者健康照護之參考。
4.高效能電管理系統晶片，可提供晶片系統內部不同方塊所需不同電位的電源，亦可發展為無線充電，提高使用者的便利性與增加使用的長效性。
5.「貼身守護神」晶片系統模組，主要以生理訊號檢測晶片為核心，構成貼身感測模組來偵測配戴者的生理訊號，並藉由藍牙傳輸系統將資訊無線傳輸到智慧型手機端，再由手機應用程式與雲端分析完成人工智慧疾病演算法，即時進行相關疾病的辨識，並將主要結果呈現於手機螢幕上，完成貼身照護的目標。
透過此生醫檢測晶片及相關軟硬體之結合應用，便可隨時隨地監測與關注使用者之生理狀況，並即使記錄使用者的健康狀況。其應用範圍包含長照中心之年長者、居家生活之慢性病患、工作場所之忙碌工作者與偏鄉地區的居民，因此，透過「具人工智慧之穿戴式物聯網系統與平台」將可實現智慧醫療普及的目標。
(本文作者為國立成功大學電機系教授)
