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行動科技與應用:穿戴式科技的保健應用

隨著運算科技的快速發展,行動裝置的的功能越來越強大,利用行動裝置的運算功能或內建的感測元件所開發的應用程式呈爆炸性的成長,增加了使用者對這類裝置的依賴性。
 
 
 
健康生活型態的重要

現代人不僅追求生活品質,也非常注重個人健康管理。良好的個人健康生活型態,是追求自我健康的根本。世界衛生組織在1986年的渥太華健康促進憲章中,對「健康促進」的定義是「使人能加強掌控並增進自身健康的過程」,強調健康促進應包含建立健康的公共政策、創造支持性的環境、發展個人技巧、強化社區行動與重新定位健康服務五大行動綱領。

個人健康生活型態包括哪些層面?如何落實自我健康促進與管理?世界衛生組織指出,「活動量不足」已成為全球第四大致死因素,每年有6% 的死亡率與低活動量有關,僅次於高血壓的13%、菸品使用的9% 及高血糖的6%。臨床研究顯示,活動量不足除了增加死亡率外,還會使心血管疾病、糖尿病、肥胖的風險加倍,並增加大腸癌、高血壓、骨質疏鬆、脂質失調、憂鬱、焦慮的風險。許多國家活動量不足的人口比率正不斷增加,國內也有相同的問題。

近年政府醫療政策已從「疾病治療」轉為「健康促進」,也就是希望民眾能透過健康的日常生活以遠離疾病。雖然一般民眾知道不良的生活型態會衍生許多疾病,但若對每天的生活型態自我感覺良好而不檢視,日積月累就會演變成慢性疾病。因此,量化自我生活型態並設定合宜的活動、睡眠、飲食目標,有助於養成良好的生活習慣。

穿戴式裝置的興起

隨著運算科技的快速發展,行動裝置如智慧型手機或平板電腦的運算功能越來越強大,利用行動裝置的運算功能或內建的感測元件所開發的應用程式呈爆炸性的成長,增加了使用者對這類裝置的依賴性。

感測元件依功能可分為:體感控制的應用 – 包含加速度計、陀螺儀、磁力計,用來偵測物體運動的狀態或軌跡;光學感應的應用– 主要有距離感應器、攝影機、光度感測器,可以用來作周遭環境感測、人臉辨識、手勢辨識或手勢移動偵測等;環境感測的應用 – 像是全球衛星定位系統、溼度計、氣壓計、溫度計、壓力計等。

業者使微控制器與感測元件微小化並降低其功耗,發展成穿戴式裝置。由於穿戴式裝置主要是穿戴在人身上,宜輕薄短小、省電,因此運作模式以蒐集或儲存資訊與簡易運算為主,較複雜的分析運算則傳輸至行動裝置。多半產品在資訊傳輸上選擇低功耗的短距無線傳輸技術,如低功耗藍牙、ZigBee、ANT +或近場通訊等 。為因應臨床醫學上健康促進及量化生活型態如身體活動量、睡眠品質等需求,穿戴式裝置結合雲端服務的行動健康促進系統已應運而生。

在2014年美國消費電子展中,穿戴式手環、手表等琳瑯滿目。有知名運動品牌公司主打藉由使用者配戴慣性訊號感測器記錄運動狀況,並透過應用程式把資料傳輸至雲端系統分析,再從感應器本身、網站或手機應用程式等觀看紀錄與回饋,進而增加使用者規律運動的行為。也有廠商開發以健康生活型態管理為目的的產品,使用者也是藉由配戴智慧手環記錄日常24小時包含睡眠的身體活動資料,再透過紀錄與回饋讓使用者增加其身體活動行為和改良睡眠品質。

2014年美國消費電子展的資料指出,2013年有75% 的人擁有健康促進科技的產品,購買穿戴式裝置的使用者從2012年的3% 成長至2013年的9%。美國消費性電子產品2014年的調查也指出,未來一年預計有2千7百萬的美國人會購買穿戴式裝置產品。這些五花八門的穿戴式裝置、相關應用程式和雲端運算科技的興起,儼然形成了WHO的健康促進五大行動綱領中的科技化與雲端化的支持性環境。

產生健康指標數據的原理

臨床生理訊號量測儀器微小化後,整合至穿戴式裝置成為運動健身或行動醫療照護的工具。這類裝置大多以體表可以量測到的訊號為主,如活動訊號、體溫、皮膚電導、血壓、血氧、心電訊號(心律)、腦波等。

目前市面上的穿戴式產品有3軸、6軸、9軸,甚至12軸的感測元件。3軸是指感測元件是3軸加速度計;6軸的產品可能整合了3軸加速度計與3軸陀螺儀,或3軸加速度計與3軸磁力計;9軸則包含了3軸加速度計、3軸陀螺儀與3軸磁力計;12軸則是把前述的9軸再加上壓力、溫度、光感測器3項環境感測器。為了使穿戴式產品更方便使用,感測元件的體積大約都在3 mm × 3 mm × 1 mm或更小。

加速度計用來量測穿戴部位如手部或腳部單位時間內的運動速度變化,單位是每平方秒的公尺數(m/s2),正值代表加速,負值代表減速。當穿戴者在靜止狀態時,加速度訊號就是重力加速度;當穿戴者運動時,加速度訊號則包含了物體的運動加速度及重力加速度。在獲取運動加速度值後,經過一次及二次積分就可得知穿戴部位的運動速度和軌跡。

陀螺儀主要量測穿戴部位在單位時間內的角度變化,即動態旋轉時的角速度值,單位是每秒所旋轉徑度量(rad/s),正值代表逆時針旋轉。

磁力計或稱電子羅盤用來量測穿戴部位在旋轉時所產生相對於當地磁場的變化量,並可藉由這變化量得知穿戴部位繞著垂直地面的Z軸旋轉的偏航角,單位是高斯(gauss)。

光感測器主要量測脈搏或血氧濃度,是利用發光的LED接觸皮膚,把光線打入皮下組織的微血管,並利用光感測元件吸收光線能量的原理,把光線在血管中受血流脈動影響的變化轉換成電訊號的變化。因為血管內單位面積的血流量會隨著心臟的搏動而變化,光感測元件吸收到的能量也會隨著血液量的變化而改變,因而可以量測脈搏。

另外,利用660奈米和905~940奈米兩顆不同波長的LED照射皮膚部位,藉由含氧與不含氧的血紅蛋白對這兩種波長的吸收率有很大的差別,可以量測動脈中含氧與不含氧的血紅蛋白的比例,計算出血氧濃度以檢測健康狀態。

感測元件量測的訊號如何透過訊號處理的流程產生分析結果呢?訊號分析流程包括感測訊號蒐集、校正、濾波、訊號視窗化、特徵擷取、特徵降維與辨識7個程序。當感測元件蒐集到原始訊號後,就可進行訊號的校正,降低感測元件本身因素或外在環境因素而產生的量測誤差與訊號飄移,並透過濾波器濾除人體動作或其他因素所產生的雜訊。

因為感測訊號是時序訊號,所以用視窗法把時序訊號擷取成多個固定長度的視窗,再對每一個視窗訊號進行特徵擷取,轉換成不同的特徵值,再透過特徵降維的程序把不重要的特徵值去除,以降低運算複雜度。最後,把降維後的特徵值輸入辨識器產出分析結果。這就是軟體的分析演算法,運算複雜度依各程序中選用的方法而有所不同。有時為了直接在穿戴式裝置內的微控制器運算,會簡化或省略部分程序。

結合雲端智慧保健

業者在發展穿戴式產品時,都會建立自己的雲端健康促進生態圈,包含完整生理訊號感測的穿戴式裝置、行動裝置的應用軟體、健康管理加值服務,以及雲端服務系統所提供的適性化健康促進內容或課程。

穿戴式裝置大小如手表或手環,具備多種生理資訊感測功能,包含活動、睡眠與心律紀錄,以及行動裝置所衍生的應用程式如飲食紀錄、減重助手、舒眠工具、健康日誌等自我健康管理功能。使用者透過24小時配戴手表或手環,記錄日常活動與睡眠資料,使用應用程式上傳資料並記錄飲食內容至雲端資料庫分析,再從應用程式或網站瀏覽個人的健康資料。

雲端行動健康促進系統不僅可用於偵測個人的生活型態是否符合健康標準,並可了解可能潛藏的健康風險。若系統能提供使用者貼心的功能,如減重助手或舒眠工具等,更可讓使用者自發地改善不良健康行為,達成每日進行足量身體活動,建立良好睡眠品質和均衡飲食行為的健康生活型態。

根據國外的研究,雲端健康促進系統能有效增加青少年在中等費力以上身體活動的時間。但實驗過程中有部分參與者鮮少使用網站且退出研究,原因可能是這促進系統無法吸引身體健康的青少年使用,因此建議未來應為這個族群量身打造更具吸引力的介入方式。

國內的研究也指出,雲端健康促進系統結合數位內容與行為改變策略,最能有效提升學生的健康促進行為。同時,足量身體活動也使學科測驗中的理解和應用認知向度有明顯進步,這或許支持了身體活動能優化大腦執行功能,改善學習表現的說法。

多元發展

未來穿戴式科技運用於智慧保健,必須整合軟、硬體,以及提供適性化的數位內容與服務,以符合使用者健康管理的需求,有效養成使用者健康管理習慣,才是發展的關鍵。

政府若能整合穿戴式裝置與醫療健康產業形成完整的生態圈,並輔導業者創新數位健康促進內容與服務,不僅能提升國內產業在國際市場上的競爭力,在國內也能創造適性化的雲端健康促進環境,協助國人養成自我促進與管理的習慣。

另外,對國內產業而言,可以透過雲端智慧保健生態圈與其他產業進行異業結盟,例如穿戴式裝置的製造商販售產品給民眾,並儲存海量分析資料,健檢業者與醫療保險業者可以在民眾同意以及個資完善保護下,利用海量資料的分析結果,來降低服務成本並提升品質。

對政府而言,可針對民眾長期生理健康紀錄進行海量資料分析,做為擬訂智慧保健教育方針或政策的參考。更可以提供給醫療院所或全民健保系統,讓醫療人員能夠透過這些分析資訊,更精準地提升對民眾的衛教服務,協助改善身體健康狀況,降低醫療資源浪費的情形。
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