若醫生要治療病人，必須對症下藥，為此，病患的脈搏、心音、血壓、體重、身高、溫度等指數的擷取變得不可或缺，透過感測器可收集生理訊號，並轉換成人們讀得懂的生理指標，將提升治療精確度，而現在正蓬勃發展的穿戴式裝置，也與生物訊號測量息息相關。

生理訊號的分類與處理

生理訊號主要分成幾種，包含屬於生理電訊號(bioelectric signals)、生理化學訊號(biochemical)、生理機械 (biomechanical) 訊號、生理抗阻(bioimpedance)訊號、生理磁(biomagnetic)訊號、生理光(biooptical)訊號、生理聲(bioacoustic)訊號等，其中以生理電訊號在穿戴中置中的使用最為廣泛。

圖7 : 生理訊號處理示意圖。(整理／林彥伶)

在訊號處理方面，必須將生物訊號轉換為電位，才能使用電腦進行處理，而生物訊號常常過於微弱，或伴隨著許多噪音(noise)，所以必須透過放大器將訊號放大，並且去除雜訊，接著透過A/DC轉換器進行採樣(sample)，再將類比訊號轉為數位訊號，最後將得到的數位訊號輸入電腦。

圖1 : 生物訊號處理步驟。 (繪圖／林彥伶)

活用各樣感測技術

同一種感測原理可以偵測多樣生理指標，同樣地，一種生理指標的感測方法也有很多種，舉例而言，光體積變化描記圖法(Photoplethysmography, PPG)是一種光學感測原理，利用LED感測器可獲取人的心跳、脈搏、血氧含量等，然而心跳的感測卻不只光學感測一種，還能透過電極電位的改變，紀錄心臟跳動，再換算成心跳率。

本文將介紹幾種生理指標的擷取所使用的感測技術原理，包含壓力感測、光學感測以及電極感測，其中屬於光學感測的光體積變化描記圖法和紡織電極(textile electrode)被廣泛使用於穿戴裝置。

壓力感測：血壓測量

目前血壓測量有兩種方式，分別為侵入式血壓 (Invasive Blood Pressure, IBP) 與非侵入式血壓 (Noninvasive Blood Pressure, NIBP)，皆透過壓力感測器來測量，壓力感測器中內建的敏感元件，能測量氣體或液體對橫膈(diaphragm)造成的壓力，橫膈可由不銹鋼、矽等材料製成，再將測量值轉換成電訊號。

侵入式血壓的測量方式是將導管插入體內，當血液心臟收縮和擴張被輸送至身體各部位時，會迫使導管內的生理食鹽水和抗凝血劑，被傳導至血壓轉換器，而測量壓力值的橫膈被設置於轉換器上，將接收的壓力轉換成電訊號。

另一種非侵入式的方法則是目前較常見的震盪法(oscillometric method)，使用者在手臂或大腿上套上壓脈袋，壓脈袋連接壓力感測器和充氣氣囊，充氣氣囊將壓脈袋充氣至能夠阻斷血流通過的程度後，再慢慢將氣抽離使血流通過時，血管體積會發生改變，使傳出的壓力訊號改變。

壓力感測技術廣泛應用於醫療，除了測量血壓的血壓計之外，其他相關應用包含人工呼吸器、醫療用噴霧器、氧氣製造機等儀器，都內建壓力感測器於其中。

PPG光體積變化描記圖法

光體積變化描記圖法(Photoplethysmography, PPG)是一種簡易的光學感測原理，目前PPG根據光源(light source)和光檢測器(photodetector)的位置分成兩種，一種是穿透式(transimission)，從光源發射出的光穿透過身體有血管通過的某一部位(假設是手指，如圖所示)，一部分的光會被人體吸收，剩下沒被吸收的光線會抵達感測元件中的光檢測器，光源和光檢測器位在不同邊。而另一種類型為反射式(reflection)，光線會被照射部位反射，再透過光探測器接收反射光，光源和光檢測器位於同一邊，光檢測器接收光之後，再將光訊號轉換成電訊號。

目前PPG光感測法已經普遍使用於各種穿戴式裝置中，如臺醫光電的歐凱智慧腕錶，可測量血氧飽和度和心跳率，搭載自家研發的反射型PPG感測器(Reflective PPG sensor)OSC112，此感測器包含紅外光、綠光、紅光的三種LED，此外還內建繞射光學元件(DOE component)，用以調節在皮膚組織中的光子散播，使從皮膚組織反射回來的光增強，解決反射型PPG光反射微弱的缺點。

圖2 : 左邊為穿透型，右邊為反射型。(繪圖／林彥伶)

PPG應用：血氧及心跳測量

氧氣進入肺部之後，會被輸送至血液裡面，人體血液中的血紅蛋白可乘載氧分子，使得血紅蛋白也成乘載和未乘載氧分子兩種狀態，而人體的血管如同道路，而血紅蛋白就像是走在道路上的車子，載著氧分子游遍全身以抵達目的地。

基於PPG的原理，光從光源射向光感測元件，若人的手指穿過光源和光感測元件之間，如圖所示，一部分的光源會穿透手指到達光感測元件，而另外一部分的光源則會被手指血管中的血紅蛋白所吸收，血液中的血紅蛋白集中度越高，則吸收光的能力越強，當光通過手指中的動脈時，動脈越粗吸收的光越多，因為光必須穿越更多的血紅蛋白，過程中光就會被收吸。

另外是否乘載氧分子的血紅蛋白對不同類型光的吸收度也不同，乘載氧分子的血紅蛋白較能吸收波長較長的紅外光，而未乘載氧分子的血紅蛋白，則吸收較多波長較短的紅光，透過比較紅光和紅外光被收吸的程度，來推斷有多少血紅蛋白乘載氧分子。根據以上的三種特性，搭配校正方法，最終可以得到出血氧飽和度。

圖3 : 光的一部分被血管吸收。(繪圖／林彥伶)

PPG也能用於心跳的感測，當光照在某一個器官時，血液流經某一器官的血流量變化，會使光的吸收量產生變化，測量這一變化量，可以得知心跳率。

電極感測

生物體內有電存在，因此透過電極可以感測心跳、肌肉活動及腦波等，產生心電圖(Electrocardiogram, ECG/ EKG)、肌電圖(electromyography, EMG)及腦波圖(electroencephalography, EEG)。

以醫療臨床以及穿戴裝置常使用的心電圖為例，其原理為利用微電極技術紀錄心臟電壓變化的圖形，每一次心跳會進行一次去極化作用，由竇房結(SA node)開始去極化時，電脈衝依序傳導至左右心房、室房結、左右心室，過程中心房和心室也會先後收縮將血液傳送至身體各部位，去極化時電位差能夠透過將電極貼在皮膚表層上去感測，目前電極感測電位差，並依此產生心電圖的方式已被廣泛使用。

圖4 : 此為心電圖，心臟去極化運作順序。(繪圖／林彥伶)

穿戴裝置：紡織電極(textile electrode)

智慧紡織(smart textile)的問世催生出紡織電極(textile electrode)，將電極感測器、致動、通訊、運算等元件，利用傳統的製衣技術，如針織、刺繡、拼接等，整合到布料中變成紡織電極，可應用在可攜式的穿戴產品，如腕帶，或是直接整合至衣服裡，大幅增加了使用便利性。

紡織電極所使用的原料為可導電的紡紗(conductive yarn)，例如紡織用的金屬絲、導電奈米絲線，也可直接將金屬塗在棉、尼龍、克拉維纖維(Kevlar)、聚酯纖維等材質的布料上，這些技術有助於兼顧智慧衣服的導電性和使用壽命。

圖5 : 紡織電極可內嵌至衣服中，製成智慧運動衣，也可製作成隨時可摘式腕帶，而醫療方面則能應用在此類的電極帶。(source: Marquez, J. C. (2011))

目前紡織電極可用於測量生物電訊號，如前文所述的心電圖、肌電圖、腦電圖，另外也能用於體溫感測、動作(motion)感測，在電療方面，透過電流刺激神經或肌肉的TENS（transcutaneous electrical nerve stimulation）技術，可協助復健或舒緩疼痛，以此概念將紡織電極放置於需要刺激的身體部位來達成治療效果。

除了醫療和運動保健，其實穿戴式裝置的還有另外一個娛樂領域，Fraunhofer-Gesellschaft為德國的一個應用和研究促進協會，利用觸碰式感測紡織(touch-sensitive textile)，開發出一種椅背材質為智慧紡織的智慧椅概念，使得椅背如同觸碰螢幕一般，椅子的椅背和把手總共使用了72種感測器，使用者坐在椅子利用筆電控制椅子，在醫療情境下，此概念可以用於輪椅，輔助行動不便者，或是內建一些能夠協助訓練運動、認知能力功能的遊戲，在娛樂領域上，使用於汽車座椅椅背，並內建娛樂性功能，此一智慧椅的概念，結合各種感測技術，讓醫療、運動、娛樂三個領域的功能一併實現。

圖6 : 整合智慧紡織的智慧椅概念圖。(source: Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS)

感測技術的創新與提升，使生理指標擷取變得容易，這些資料也對醫療邁向更智慧化的未來做出貢獻，但最重要的是，同時也是人們最在乎的，透過AI提升治療精確度才是一切努力的意義，而感測技術會是實現這一目標途中的一大助力。

刊頭圖來源:Philips-Azurion-Picture