近年來不明流行病毒橫行，加上跨國移動日益頻繁，造成病毒傳遞範圍越來越廣且快速，常會在短期內造成大範圍流行，已足以威脅人類的生存，因此自主性的健康管理越來越受重視。本文擬提出一套生命機能監視系統，用於個人自主健康管理，以防治流行性病毒擴散，並以實用性、經濟性、可靠性與方便攜帶性為設計目標，期能達到大眾化需求的商業目標。
此生命機能監視系統主要包含兩種生理現象監測：體溫與脈搏。此裝置系統架構分為四部份：訊號擷取單元、微控制器單元、顯示介面單元、射頻發射單元。造型架構以錶型攜帶式為目標，便於長期配戴，並配合相關醫學研究數據做資料分析，以早期發現生理機能的變異，並發出警訊提醒使用者接受進一步檢查。
一般而言，生命機能常被指為體溫、心跳、呼吸、血壓等，當這些生命機能有所變異時，往往代表人體出現異狀，須進一步檢查，尤其在2003年SARS擴大傳染期間，發燒為病毒傳染的分界點，以公共衛生病理學來說，體溫對於控制病毒傳染極為重要。本生命機能監測系統將針對體溫、脈搏進行監測，並對偵測資料做長期分析，當生理機能有一定程度變異時提出適當警示，讓使用者更了解自身生理變化，也提供醫生診斷時初步的依據。
本文規畫設計一個生命機能監視系統，旨在自主檢查個人、病患或須監視生命機能的老人與小孩等對象的心跳與體溫等生命跡象，必要時可透過射頻訊號傳送回中央監控系統，即時掌握個人生理資料。該系統擬設計為手錶大小以方便攜帶，能應用於獨居老人、安養院、幼稚園與住院病患或一般大眾須自主管理者，對於SARS、禽流感或感冒流行期間，須即時監控體溫及心跳資料時非常方便。
生命機能監視系統結合射頻傳輸
生命機能監視系統架構如圖1所示，心跳感知器可透過聲音或跳動脈搏震動感知心跳。體溫感知器旨在感測體溫，以便早偵測疾病。感知器的訊號傳送至微控制器後，經處理可得量測對象的每分鐘心跳及體溫，其中心跳的處理採20秒計算一次，並將心跳資料送至液晶顯示器顯示，心跳數超過每分鐘100次時(或自行設定警示值)，應有警示聲產生，以提醒使用者心跳速過快。體溫感知擬採碰觸額頭量測額溫的方法，量測資料傳送至微控制器處理，並將體溫數據送至液晶顯示器顯示。心跳與體溫資訊規畫每5分鐘經射頻電波傳送至生理資料監控中心，以達到生理監控目的。
圖2為生命機能監視系統原型機顯示平面圖，原型機的正面設計圖擬規劃三個顯示區域，心跳顯示區位於上方，中央地區顯示時間，下方顯示體溫。上方的體溫感測孔旨在量測額溫，只要將該體溫感測孔貼近額頭即可量測人體的體溫，若有發燒現象即發出警示聲音。另本系統具有一般時鐘顯示功能，具有多重功能的實用型機種。射頻發射功能是將所量測得資料與時間傳送回監控中心，或儲存於記憶體內待傳輸至監控中心，以記錄生理跡象資訊。
生理訊號須先經過前級處理
圖3為生命機能監視系統的電路架構圖，區分為：訊號擷取單元、微控制器單元、顯示介面單元及發射單元等四個部分。
訊號擷取單元又可分為兩部分，分別為脈博生理訊號擷取與溫度偵測。脈搏生理訊號的取得方面，在此使用電極片，而電極片與人體皮膚接觸的介面之間會有一個直流電位出現，稱為補償電壓(Offset Potential)(圖4)。此電位的產生部分起因於皮膚的生理結構(Etissue)；部分起因於金屬電極、導電介質和皮膚所產生的電化學電位(Ee)。此電位大小不定，但容易消除，只需採用濾波器即可把電位阻擋起來，至於另一種起因於電極和皮膚之間的雜訊，稱為移動假影(Motion Artifact)，則較難以消除。
由於生理訊號都非常微弱，故在取得生理訊號後，須先進行三項前級處理，才可由數位/類比轉換器(DAC)取得數值，此三項分別為：儀表放大器(Instrumentation Amplifier)、低通濾波(Low-Pass Filter)、訊號放大器(OP-Amplifier)。
儀表放大器主要將電極收到的微弱生理訊號放大，並藉由其高輸入阻抗及高共模拒斥比的特性，以提升訊號對雜訊比(圖5)。
(詳細請見當期雜誌)
就脈搏次數而言，大部分訊號屬於低頻，其頻率範圍約在250Hz以下，故設計一低通濾波器來濾除訊號以外之高頻雜訊，而此電路採用兩個單一增益Sallen-Key低通濾波器串接成四階巴特渥斯低通濾波器(Butterworth Filter)來實現(圖6)。
訊號放大器電路主要將前級訊號放大，以便於DAC轉換成數位訊號(圖7)。
至於溫度偵測器採用高精確度1%的熱敏電阻(R33)，溫度範圍挑選工作在25～45℃的元件即可；而電路則採用惠斯登電橋電路，以取得精準的電壓差值，然後再使用差動電路將取出電壓值讓類比/數位轉換器(ADC)使用(圖8)。
本裝置的周邊元件皆屬低速控制，故以微控制器(MCU)為發展核心，在此採用盛群(Holtek)內含AD的HT46R24。採用原因是此MCU內含ADC，最高可支援8組10位元AD輸入，如此一來可以減少元件使用，在要求空間效率的裝置中非常重要；另外此MCU具有I2C控制介面，可以擴充非揮發性記憶體來做資料儲存，以便於日後離線分析。MCU周邊電路如圖9所示。
除了上述基本的資料擷取功能外，此系統亦須輸出輸入裝置來顯示訊息與改變程序，在這邊由於屬於實驗階段，所以搭配一個3×20的液晶螢幕，加上兩個開關以備不時之需。由於此MCU之IO數量也足夠，對於液晶螢幕與按鍵的硬體搭配相當有幫助，圖10為液晶螢幕電路，圖11為切換開關(Switch)電路。
此外，為了擴大此裝置的應用範圍，特地增加射頻資料傳輸功能，讓資料收集更加便利，以利於同一室內空間的生理資料監控，如安養院、幼稚園、學校等地點。在此使用常見的傳輸發射模組，使用頻寬為315MHz，傳輸速率為8kbps，並搭配盛群HT-12E做資料編碼，圖12為射頻發射電路。
內含ADC之MCU 減少元件占用空間
在軟體規畫部分有六大功能(圖13)：量測體溫、量測脈搏、生命機能監控、射頻傳輸、設定、時間顯示，本文重點放在生命機能量測監控，故在時間顯示方面不再詳述。量測體溫功能中，主要是將體溫的電氣訊號經由ADC讀回，並計算出體溫值，然後顯示在液晶螢幕上。量測脈搏功能中，主要將放大後的脈搏訊號經由ADC讀回，並判斷出脈搏峰值與谷值，計算出時間差，以換算出心跳數，然後顯示在液晶螢幕上(圖14)。生命機能監控功能中，根據所設定的監控週期，應用量測體溫與脈搏的流程取得體溫與脈搏，然後在記憶體中儲存下來，並根據異常警示設定之條件提出異常警告。射頻傳輸中，根據所設定的傳輸週期，應用量測體溫與脈搏的流程取得體溫與脈搏，透過射頻傳輸模組將體溫與脈搏數據傳送出去(圖15)。
本文以建置一錶型生命機能監視系統為主軸，目的是讓使用者可初步掌握自身的生理狀況，而其長期監控的特性也可做為醫師診斷時初步的依據。本文中規畫設計由MCU控制監測體溫與脈搏數據，且選擇內含ADC之MCU，可減少元件使用，降低元件空間，增加實現錶型機構的可能性，另外由於此MCU具有I2C介面，可外加非揮發性記憶體來儲存資料，且仍有未使用到的IO，在未來仍可增加其他生命機能或特殊功能之提升。
(本文作者陳源林為明志科技大學機電工程研究所教授，張育陞為研究生)
(詳細圖表請見新電子242期5月號)
