心智感测技术可实现多元感测

因自我身心状况量测成为全球趋势，身心健康相关的穿戴装置遂快速兴起，而将既有传感器整合在可穿戴设备上的做法，已经蔚为风潮

作者：杨士菁 神念科技事业开发经理

目前常用的感测技术包括陀螺仪（Gyroscope），可感测水平改变；三轴重力加速器（3 Axis Accelerometer），用以感测动作、走路或姿势的变化；计步器（Pedometer）用来计算步数；全球卫星定位系统（GPS）接收器感测所在地理位置；以及麦克风可接收语音或声波等。

上述传感器于市面上健康穿戴装置的应用，大多是运动、健身、减肥及睡眠品质等生理量测。未来，健康穿戴装置将陆续加入体温、脉搏血氧浓度、心率、心电图以及酒精浓度量测等，甚至还可望整合血压、血糖等生理传感器，以便随时随地追踪健康状况。

整合人体内/外讯息　心智感测技术贴近情感需求

下一代健康穿戴装置的创意核心，在于要能打破穿戴装置在身、心量测及分析的界线，不但可以量测生理讯号，还可以量测心理状态。融合外在与内在量测结果的解决方案，可以撷取、量化、呈现和追踪生/心理讯号，让用户更深入觉察自己的身心状况。

穿戴技术的突破在于实现智慧化，除了结合巨量数据（Big Data）及物联网（IoT）达到情境感知（Context Awareness）目的之外，理解人们的心智活动将可以改变人机（Human Computer Interface）互动模式。

过去的情境感知着重于行动设备和外在环境的互动，透过外在传感器，例如提醒用户所在地理位置等信息，来满足用户下一步所需；而更智慧化的穿戴技术则须要借由感测心理讯号，以进一步和人的内在情感互动，例如用户紧张时，装置会提醒其放松心情，调节呼吸或播放纾压音乐。

创新使用功能　强化穿戴式产品独特性

脑电感测技术除了以心电芯片量测生理讯号，并透过算法得知心率、呼吸率及压力程度等讯息之外，还可进一步感测人的心智活动，使穿戴装置更智能、更人性化。尽管人机接口越来越发达，但人还是必须屈就于机器，因此脑机接口（Brain Computer Interface）技术的愿景便是让机器能配合人类，读懂人类的“心”。

穿戴产品若要实现差异化，须提供创新的使用情境。如配备心电芯片的穿戴装置，除了可追踪游戏玩家的健康状况外，还可让游戏更具挑战性，如借由心电感测技术记录心跳频率，一旦玩家因紧张而心跳加速则游戏困难度增加；或由脑电感测技术量测脑电波，经由算法演绎，若情绪越放松则游戏主角的生命力恢复越快，反之注意力越不集中游戏困难度便增加。

再以汽车产业为例，现阶段智能穿戴式产品主要以呈现汽车油耗、平均时速等驾驶必要信息为优先，未来若结合心电感测技术记录心电活力指数，将能避免因疲劳驾驶、超时工作所导致的意外。

解析数据意涵　算法实现多元感测应用

心电感测技术不只能用在量测心跳，真正的创新来自于提供精准的心电图信息，并可进一步呈现如心跳变异率（Heart Rate Variability， HRV）般两次心跳时间的微小变化。

心电图（ECG）提供清晰的电波图，是侦测心跳变异率最精确的方法。最常用的心率变异分析是根据心电图中的R波，计算出相邻R波之间的时间间隔形成一个时间序列。一般而言，较高的HRV代表身体有着较高的自主神经调适能力，因此有较强健的身体。

目前常用的感测技术包括陀螺仪（Gyroscope），可感测水平改变；三轴重力加速器（3 Axis Accelerometer），用以感测动作、走路或姿势的变化；计步器（Pedometer）用来计算步数；全球卫星定位系统（GPS）接收器感测所在地理位置；以及麦克风可接收语音或声波等。

上述传感器于市面上健康穿戴装置的应用，大多是运动、健身、减肥及睡眠品质等生理量测。未来，健康穿戴装置将陆续加入体温、脉搏血氧浓度、心率、心电图以及酒精浓度量测等，甚至还可望整合血压、血糖等生理传感器，以便随时随地追踪健康状况。

整合人体内/外讯息　心智感测技术贴近情感需求

下一代健康穿戴装置的创意核心，在于要能打破穿戴装置在身、心量测及分析的界线，不但可以量测生理讯号，还可以量测心理状态。融合外在与内在量测结果的解决方案，可以撷取、量化、呈现和追踪生/心理讯号，让用户更深入觉察自己的身心状况。

穿戴技术的突破在于实现智慧化，除了结合巨量数据（Big Data）及物联网（IoT）达到情境感知（Context Awareness）目的之外，理解人们的心智活动将可以改变人机（Human Computer Interface）互动模式。

过去的情境感知着重于行动设备和外在环境的互动，透过外在传感器，例如提醒用户所在地理位置等信息，来满足用户下一步所需；而更智慧化的穿戴技术则须要借由感测心理讯号，以进一步和人的内在情感互动，例如用户紧张时，装置会提醒其放松心情，调节呼吸或播放纾压音乐。

创新使用功能　强化穿戴式产品独特性

脑电感测技术除了以心电芯片量测生理讯号，并透过算法得知心率、呼吸率及压力程度等讯息之外，还可进一步感测人的心智活动，使穿戴装置更智能、更人性化。尽管人机接口越来越发达，但人还是必须屈就于机器，因此脑机接口（Brain Computer Interface）技术的愿景便是让机器能配合人类，读懂人类的“心”。

穿戴产品若要实现差异化，须提供创新的使用情境。如配备心电芯片的穿戴装置，除了可追踪游戏玩家的健康状况外，还可让游戏更具挑战性，如借由心电感测技术记录心跳频率，一旦玩家因紧张而心跳加速则游戏困难度增加；或由脑电感测技术量测脑电波，经由算法演绎，若情绪越放松则游戏主角的生命力恢复越快，反之注意力越不集中游戏困难度便增加。

再以汽车产业为例，现阶段智能穿戴式产品主要以呈现汽车油耗、平均时速等驾驶必要信息为优先，未来若结合心电感测技术记录心电活力指数，将能避免因疲劳驾驶、超时工作所导致的意外。

解析数据意涵　算法实现多元感测应用

心电感测技术不只能用在量测心跳，真正的创新来自于提供精准的心电图信息，并可进一步呈现如心跳变异率（Heart Rate Variability， HRV）般两次心跳时间的微小变化。

心电图（ECG）提供清晰的电波图，是侦测心跳变异率最精确的方法。最常用的心率变异分析是根据心电图中的R波，计算出相邻R波之间的时间间隔形成一个时间序列。一般而言，较高的HRV代表身体有着较高的自主神经调适能力，因此有较强健的身体。

许多科学研究显示，高频HRV与自主神经系统中的副交感神经活动有关，而低频段的HRV与交感神经活动有关。研究指出，副交感系统有助于身体的放松及恢复，而交感神经系统则显示人们在压力下兴奋或紧张的状态。脑电感测技术算法可以解读并反映人们心理状态变化，例如专注度、放松度、熟悉度与困难度等。

健康穿戴可应用在过动儿训练游戏，也可以随时随地透过游戏互动，达到放松疗愈或者锻炼大脑。透过量测人们的内在情绪，电影业者可得知观众的实际感受，电影情节将可能随着所有观众的心情而改变结局，未来还可以量测哪些电影桥段最受观众喜爱或激赏的程度。

熟悉指数能测量人们在执行任务过程中获取知识及经验的程度，其工作内容是否已经游刃有余。这个任务可以是指身体体力上的表现，也可以是指心理认知上的表现。透过这个算法，可以描述出学习及认知的进步程度。

困难指数则测量人们在执行任务过程中大脑的努力程度，工作内容是否极具挑战须要绞尽脑汁。利用这个算法，人们可以实时对任务的困难程度进行评估及调整。此外，更多关于学习的困难与熟悉程度量测，或是针对职场技能需求而推出创新应用将陆续开展，透过算法可改给未来更多的想象。

完整解决方案助力　健康穿戴产品加速上市

如何准确量测人们的心、脑健康，对人类整体健康至关重要，因此穿戴式产品制造商无不积极抢进。研究预估，到2017年全球将出现六亿四千万个穿戴式设备，主要用来监测人类的身心健康。涵盖产品类型从可穿戴的健康追踪设备、放松冥想观测设备、睡眠监测设备、心脏状况追踪设备，到智慧手表、眼镜、手环以及衣帽等。

欲达成系统快速整合并缩短产品上市时程，需要完整的解决方案，也就是同时提供芯片、算法以及软件开发工具，甚至是云端整合服务（图2）。完整解决方案应包含创新的感测技术、算法及低成本、低功耗的系统单芯片（SoC）。

以神念科技的SoC为例，其整合先进的低噪声模拟前端放大电路、16位高精确模拟数字转换器（ADC），以及高效能的数字信号处理器（DSP），可以精准采集从微伏特（μV）到毫伏特（mV）的心电讯号；芯片内建高通滤波器、低通滤波器以及50Hz与60Hz的陷频滤波器，除了可抗高频噪声，内建的直流漂移消除滤波器，可以进一步消除因输入端阻抗不匹配所产生的直流飘移。

心电感测SoC不须要额外整合其他被动组件或是处理器，就能快速输出心跳以及准确的初始心电讯号，并具备低功耗（整个心电系统功耗《0.2毫安）、小体积（3毫米×3毫米）、零初始韧体配置需求以及快速达到稳态（《1.5s）的特性。

脑电感测技术模块包括TGAT芯片，该芯片是高度整合的SoC脑电传感器，可以输出专注、放松等参数，并进行模数转换，检测接触不良的异常状态，同时过滤掉眼动噪声，及电路中50Hz和60Hz交流电讯号干扰。

软/硬件高度整合　穿戴装置开创新商机

体积与功耗一直是穿戴式技术关注的议题，据国外研究指出，穿戴式产品的瓶颈在于耗电量，然而解决的关键却在于算法而非神奇的电池，只要事先将原始数据做初步的运算就可以减少耗电，由此可见算法的重要。

在硬件方面，如何将有感的传感器做到穿戴时无感，是制造商的一致目标，因而需要高整合、小尺寸的SoC。下一步则是提供杀手级应用，这主要来自经过验证的算法；最后，再整合感测芯片及算法，以抢得穿戴式市场先机。

穿戴技术的未来，在于内在认知与外在环境感测的结合、身体与心理量测的结合、理性与感性的结合，并可在穿戴式装置之间以人性串连达到智慧感知。