健康和健身應用的感測器技術

監測並測量身體絕大多數基本功能一直以來就是用來判斷健康狀態的方式。 在利用儀器前，我們使用視覺指示器瞭解健康狀態，例如正常體溫、正常脈搏以及可接受的呼吸率等。

目前隨著人口老化，更多人需要特定的可攜式健康監測系統，這些裝置能負責定時給藥、刺激心跳，或是測量血糖濃度以及注射胰島素等事項。 本文將探討設計工程人員現有或即將可用的醫療以及健身感測器技術，包括接觸與非接觸式，以及置於皮膚上、皮下或體內的技術。 在此所述的所有零件、工具及資料，皆可從 DigiKey 網站取得。

簡單起步

感測器最簡單的形式是傳感器，兩種不同的物質彼此接觸就可構成基本的傳感器。 實際的感測器元件可製成小型離散引線式元件，或是探針或電極組件的一部分。 可微小到像髮絲的電線，並且能自行產生電壓。熱電偶就是異質金屬材質發電感測器的範例之一，能根據溫度產生電壓。 以 Omron 的 E52-CA15AYD32 4M 等非接地零件為例，會使用 K 型元件進行溫度量測，並搭配 3.2 mm 保護管，可裝在皮膚上或裝在固定線縫中。

處於衝擊與振動情況時，壓電效應會讓小型嵌入式感測器產生能量。 小型的非侵入式骨骼感測器能夠即時指出足球選手是否遭受過度身體創傷，以避開更嚴重的傷害。 壓電感測器的微型化意謂著這些感測器能融入紡織品、繃帶或衣服中。 TE Connectivity 的 2-1004347-0 等片狀感測器不僅靈活、可摺疊，還能切割成指定的形態（圖 1）。 例如，鞋墊可判斷落地時的步伐是否產生過大壓力，藉此協助診斷背部或關節問題。

傳感器在擷取實際狀態非常實用，但需要校準、線性化，並且針對漂移和溫度效應加以補償。 因此傳感器系統與小巧、智慧型的系統級電子裝置整合之後，就能成為自足式監測與回報系統。

穿戴式裝置指出身體狀況

研究人員與製造商目前正在研究適合大眾的穿戴式醫療與健身裝置。 美國伊利諾州大學正在積極進行一項專案，開發新一代裝置，能測量能量運用、心跳速率及變化、跌倒、皮膚溫度，以及 EEG/EKG 訊號（圖 2）。 這種自黏性感測器使用方式如同拋棄式貼片，並且能以無線方式與集線器或路由器通訊，然後執行必要的處理或是將資料傳遞到雲端或醫療監測服務系統。 也可搭配本地的智慧型手機一起使用。

圖 2：黏貼式感測器屬於自足式測量系統，專為佩帶者和／或世界任一處的遠端醫療監測服務系統提供監測及警示。

傳感器與系統電子裝置整合後能形成低侵入性的小型醫療裝置，而這只是其中一個例子。 在紡織品中納入感測器就可監測生理狀況，而無需經過手術也無需隨身攜帶醫藥箱。 智慧襪是這類技術的其中一例，也就是在襪子中納入壓力感測器，以追蹤步數、速度、卡路里和距離。 但功能不止於此。 這種襪子也能偵測海拔高度，因此能依照可用的氧氣密度調整氧氣量。

這種智慧襪還有一項好處，就是能監測並測量腳的著地力。 我們步行與著地時的重量分布會透過骨骼、關節和脊椎骨，傳遞力量、衝擊及壓力。 一旦此技術完成後就能進行偵測與量化，如此即可直接追溯產生慢性背痛問題的行走方式，並且輕鬆迅速提供治療，甚至在病況加劇時即時透過智慧型手機給予警示（圖 3）。

圖 3：在布料中內建感測器的智慧襪能即時傳送資料到智慧型手機，協助慢性背痛與關節疼痛患者瞭解會使病況加劇的情況，並改變步行模式。

用咬合產生數位資料

此項創新設計人們已幻想數十年之久，那就是在牙齒中植入電子裝置。 直到最近，台北大學的研究人員才真正打造出齒內智慧型感測器，能在抽菸、飲酒、咳嗽、說話或呼吸中斷時觸發動作，進行監測、記錄並傳送資料。 這種牙齒植入裝置據說準確度高達 94%，使用藍牙技術進行通訊，並可置入牙齒補綴物中（圖 4）。

圖 4：齒內感測器能偵測化學以及物理活動，並在抽菸、飲酒或呼吸中斷時就地警示接收者。

牙齒比較特殊，能產生足夠的力量和壓力，以便透過能源採集技術（例如之前所述的壓電技術）加以收集為感測器供電。 體表（或體內）感測器的能源採集技術是伊利諾大學研究人員的另一個研究重點。 他們創造出一種機械式能源採集貼片，可擷取心跳產生的能量並加以儲存（圖 5）。 生質塑膠基板能容納感測器與能量調節電路，能夠測量肌肉能量輸出，或偵測運動員暖身或過度疲勞的時刻。 實驗證實，僅需將採集貼片彎折之後再攤平，就能為 3.8 V 電池充電。

對於需要心律調節器協助的病患而言，能源採集的意義十分重大。 由於植入式調節人工裝置能持續自行充電，因此無需定期進行開胸手術更換電池。

圖 5：像這樣的能源採集貼片可置入心臟或肺臟中，以物理動作產生的能量為體表或體內的其他感測器及電子裝置充電並提供電力。

現在植入式技術比以往更加能融入我們的日常生活。 英國開發的數位健康輔助器 (Digital Health Assistant) 就是一個例子。 這種植入式感測器可偵測動作、習慣、飲食、心率、情緒及其他新陳代謝功能的改變，藉此偵測出「身體不適」的情況。

特別值得注意的是情緒偵測。 這項成就將在生物憂鬱症的新領域（對感測器而言）中開創技術方案的可能性。 不久後，我們或許就可看見偵測器在必要時釋出抗憂鬱藥物。

同樣地，血管感測器技術或許有天也能對以往認為「神聖不可侵犯」領域帶來新的啟示。 甚至連親密度，都能透過 Tactilu¹ 手環等裝置隨處進行監測；此手環能夠傳輸使用者之間的接觸數據。 您可試想將數位貞操帶植入我們青春洋溢的年輕人身上，會是何等景象。

結論

我們對於醫學的瞭解已經能以更侵入性的方式探知並監測會影響健康的體內過程。 隨著醫師設法使用更多感測器來監測特定新陳代謝指標，此一趨勢會繼續蔓延。 隨著用於體表或體內的新型智慧感測器推出，將有越來越多人在步行、說話、進食及睡眠期間，有作用中的感測器在幕後監測健康狀況。 在這個全球連線的網路中，我們人類也正逐漸成為無線資料節點。 但願沒有駭客會入侵我們。

若要進一步瞭解此文章所述之零件，請使用本文所提供的連結進入 DigiKey 網站的產品頁面。

參考資料

1. Tactilu