穿戴式裝置缺點

市面上可偵測血氧的裝置琳瑯滿目，雖然都標榜可以測血氧，但其實準確度與功能也有差異，該如何選擇適合自己或家人的產品?在本篇我們將以具有醫材認證的血氧機，與具血氧偵測功能的智慧手錶來做比較，並透過專業醫師的建議，讓大家在選購血氧偵測產品能有基本認識，也能找到適合的產品。

一、常見可偵測血氧的裝置有哪些?
三合一生理監視器
這是醫院專業用的器材，可以同時監測心電圖、血壓及血氧，也就是通常在加護病房或手術室會看到像傳統電視造型，有波形不停跳動顯示的機器，適合重症或需呼吸器的患者使用，但是對只想知道血氧數據的一般人，似乎不需用到這種等級的機器。

指夾式分離式血氧機
這通常也會出現在醫院病房或救護車內，算是易於攜帶，準確度又高的血氧機，指夾感測頭與主機分離，可以減少使用者手指頭的重量負擔，與減輕不適感，準確度也比一般指夾感測器與主機一體的簡便血氧機來的更高。

輕便指夾式血氧機
這是一般市售最容易買到的血氧機，但同時也是最容易踩雷的誤區，網路購物的價格從約180-5000元的售價都能找到，但是過於便宜的機種，恐怕準確度會有很大落差，甚至已經有網友買到夾在絨毛玩具也能偵測出血氧跟心跳的假血氧機，數據僅是隨機顯示，或容易受外界光線影響而失準。或許可能有未取得國內醫材認證的血氧機也能有一定準確度，但如果沒有透過測試比較，也很難保證準確度，
選購有醫材認證的產品還是會讓人比較安心。

智慧穿戴裝置
現在許多穿戴裝置如智慧手錶或手環，都配置了心率感測器，甚至也加入了血氧偵測的模組功能，但或許是醫材認證費用的考量，加上偵測的作用原理差異，這些穿戴裝置也都會註明為非醫療器材，不保證準確度，僅供健康參考，甚至是娛樂用途，實用性上，讓人有疑慮，到底準不準呢？

二、指夾式血氧機與穿戴裝置測量方式有何差別?

透射式偵測
無論是醫院的三合一生理監視器、指夾式分離式血氧機或是輕便指夾式血氧機，這幾種血氧機都是光照「透射式」的偵測原理，血液送往手指末梢時，隨著心跳頻率，會產生微量體積變化，利用指夾區上方紅光及紅外線兩種光源向下照射，穿過指甲下的組織，底下由感測器接收光線，針對微量體積變化對光線強度的影響差異，轉成訊號，並算出血氧濃度。

反射式偵測
智慧手錶或手環偵測血氧的方式就有些不同，雖然一樣透過光照方式，但因為是配戴在手腕上，光線恐無法穿透，所以採用「反射式」的方法，來計算血液的微量體積變化。

穿戴裝置偵測血氧濃度多為反射式，指夾式血氧機則是使用穿透的方式，但兩者都是屬於PPG光體積變化方式偵測

以上任何裝置都須特別注意，因為是透過光線偵測，所以測量時佩戴正確就很重要，不能漏光，尤其是一般配戴智慧手錶或手環時，我們通常習慣會戴得較鬆，這樣就會影響偵測到的數據，所以如果想獲得正確的數據，務必把裝置繫到緊但仍算舒適的程度。

三、機體功能相同 差別在APP網站功能
通常在血氧機上的螢幕，只能獲得當下的心跳頻率、血氧%數的簡單數據，以具血氧偵測功能的穿戴裝置螢幕大小限制來說，也頂多顯示心率、血氧%、或過去24小時的簡單數據概況。如果想要進階的分析或功能，還是需要到手機APP或電腦網站才有更進階的數據跟功能，這也通常是大多市售廉價血氧機的缺點，畢竟開發APP或軟體功能需要更多成本投入。

血氧機APP功能
血氧機若以福爾的FORA O2來說，搭配的手機APP是「iFORA O2」，在手機開啟iFORA O2後透過藍芽連線，就能在手機看到即時的血氧、心率、脈動波形、PI(血流灌注指數)等資訊，如果在晚上睡前，啟用睡眠血氧紀錄功能，就可以「每秒」記錄夜間的血氧數據，早上停止紀錄時，APP就會產生期間的數據圖形，並會顯示血氧下降3%以上次數，並以L1-L4等級顯示缺氧的嚴重程度，作為生活作息改善或是否需就醫的參考。

另外FORA O2的進階會員更支援「睡眠血氧」不限時間紀錄(基本會員只能3小時)，還有「自律神經分析」，可以額外得知自己交感及副交感神經是否平衡，當交感神經活躍時，副交感神經低下時，就可能產生壓力大、憂鬱、緊張、頭痛等許多生理症狀，測出不平衡的數字時，可以藉由另一個「共振呼吸」功能來訓練呼吸，調節副交感神經趨向平衡，或是諮詢醫生。

穿戴裝置APP功能
以最近上市的VENU 2智慧手錶來說，提供了全天與睡眠期間的血氧數據，血氧數據從70-100%以顏色作為缺氧嚴重程度區分，還有深淺層、眼動、清醒期等階段，翻身次數與呼吸頻率的圖形數據，功能相當豐富，但其紀錄方式為「每分鐘」紀錄，所以當睡眠時如果發生呼吸中止這種每次不到一分鐘的狀態，可能就無法完整記錄到當時低血氧的數據，就無法準確用來分析呼吸中止的狀況。另外，除了Garmin  Connect 也可以查詢之前每一天的紀錄，方便作比較，而FORA O2 APP就僅能檢視最近一次的報表，有點可惜。

四、血氧準確度與穩定度實測比較
以醫材認證的FORA O2血氧機跟僅作健康參考的Garmin VENU 2智慧手錶進行比較的話，在準確度與穩定度會有多少差異呢?這次還加入舊款感測器的Garmin Forerunner 745智慧手錶作為對照參考，若以FORA O2為基準，經過一段時間反覆量測試，Forerunner 745的數據是93-97%，VENU 2則是穩定的95%±1%左右，FORA O2測出來的血氧值是96%±1%，VENU 2與FORA O2差異不大。由實測結果來看，VENU 2在升級成最新的Garmin ElevateTM Gen4 四代光學心率感測器後，穩定度與準確度可以說是大幅的提升，儘管未取得醫材認證，但已具有相當參考價值了。

再測試睡眠期間的血氧數據，FORA O2因為是採用每秒紀錄的方式，若有發生短暫的呼吸中止現象，導致血氧下降較多，它也能忠實的記錄下來，血氧下降3%以上時，也會在圖表上緣以黑色垂直線條表示，那段時間如果黑色線條多，表示呼吸較不順暢，VENU 2則因為採用每分鐘紀錄的方式，在1點鐘時血氧下降超過3%的事件，就剛好沒紀錄到，所以因為紀錄頻率的不同，也產生數據上的差異。

▲以此例來說，因為FORA O2是每秒紀錄，有記錄到1點與3點兩個時段皆發生血氧下降3%以上的狀況

▲Garmin VENU 在與2 FORA O2一樣整晚間偵測的狀況下，因為採每分鐘偵測一次的頻率，就未記錄到1點時短暫的血氧下降狀況

五、各有所長 建議依不同需求選購
以血氧機來說，如果單就機器本身功能，通常只能看到血氧及心率數據，但廠商有開發APP及相關應用，就能讓血氧機功能發揮更多效用，比如iFORA O2 APP，除了即時手機顯示血氧值與心率，還多了觀察血液循環程度的PI值，也能連續紀錄睡眠血氧、額外提供自律神經分析及共振呼功能，還有相關報表及分析建議，適合有睡眠品質不佳、呼吸不順暢、有呼吸中止症、生活工作導致精神緊張焦慮、憂鬱的族群使用，精準的每秒紀錄，可以詳實呈現紀錄當時的生理狀況不遺漏。

具備血氧偵測功能的智慧穿戴裝置，可以方便地像一般手錶穿戴，智慧穿戴裝置可以進行全天候的即時血氧值與心率偵測，甚至也能提供各階段睡眠品質數據，但因為偵測頻率為每分鐘紀錄，比較適合數天甚至一周的趨勢觀察，適合一般無明顯健康異狀的使用者作為身體狀態的參考工具。

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Jan 25, 2022

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越來越多人開始使用智慧手錶、健身手環等裝置來監測個人健康狀況，這類穿戴式裝置在擷取心電圖 (ECG) 訊號上的準確度也成為一大焦點。ECG 透過擷取電子訊號紀錄心臟的活動，傳統的 ECG 系統 (如生理監視器) 需要在患者身體上連接多個電極。任意兩個電極間擷取到的訊號，代表在連接兩電極的向量上心臟的電流變化，因此能從特定的角度觀察心臟活動。圖 1 為多導程 ECG 的訊號擷取系統。

圖 1：多導程 ECG 的訊號擷取

在智慧手錶等穿戴式裝置上，ECG 訊號的擷取主要仰賴與左手腕和右手接觸的電極。當手錶戴在左手腕時，穿戴式裝置底部有一個電極，能持續與左手腕接觸。接著，為了記錄 ECG 訊號，使用者用右手的手指碰觸裝置上部或側邊的電極。左右手電極偵測 ECG 訊號時，第三個電極 (例如另一個與手腕接觸的電極) 會驅動身體的直流電位，讓電極產生最適合 ECG 訊號鏈的偏壓。雖然這個電極與手腕接觸，卻普遍被稱為「右腳電極」，主要是因為在臨床 ECG 系統上，這個電極主要放在右腳。

以電池供電穿戴式裝置而言，工程師在設計用於 ECG 訊號擷取的電子元件時，必須克服一些特定挑戰與條件。除了達到尺寸精巧、低功耗的要求，由於穿戴式裝置多使用小型乾式電極，用於ECG訊號擷取的類比前端 (AFE) 也必須處理訊號品質衰減問題。另外，這種電極也有電極與皮膚接觸阻抗高的缺點，可能導致訊號損失與雜訊衰減。

圖二為 AFE 設計示意圖，儀表放大器 (INA) 會感測左右手電極間的 ECG 訊號，右腳驅動放大器會將身體的電位送到右腳電極。標註「接觸阻抗」的部分代表在每個電極和 AFE 針腳之間串連接觸阻抗的電阻電容模型。

圖 2：AFE的概觀以及與 ECG 電極的連結

高接觸阻抗衍生的問題

高接觸阻抗可能造成的五大問題包含：

1. 雜訊增加：高接觸阻抗可能會產生熱雜訊，因此必須在類比轉數位轉換器 (ADC) 前，在訊號鏈中針對熱雜訊做頻帶限制 (band-limit)，避免訊號混疊。
2. 訊號衰減：為了避免 ECG 訊號衰減，AFE 的輸入阻抗必須高出電極接觸阻抗許多。使用 AFE4950 這類具有生物感測功能的 AFE 時，由於不需要包含並聯電容的外部濾波器，電極能直接與 AFE 輸入端連接，不必配置會降低輸入阻抗的分流元件。右腳驅動有助設定適合的共模電位，不需要分流偏壓電阻。即使使用的是小型電極，AFE 的高輸入阻抗也能將 ECG 訊號衰減的程度降至最低。
3. 共模耦合：ECG 主電源 (50 或 60 Hz，以及諧波) 是人體共模雜訊的來源。在理想狀態下，ECG 訊號鏈的差分特性會抑制此雜訊。然而，如果左右手電極之間的接觸電阻極高，且不匹配，共模雜訊可能會轉變成一個微小的差分訊號，在 AFE 輸入端出現。這個訊號接著會在 AFE 輸出端的 ECG 訊號中以單音顯現。降低單音振幅的方式有兩種：讓右腳放大器在閉合迴路中運作，藉此抑制共模雜訊，或是透過在電源頻率 AFE 的高交流輸入阻抗，降低共模至差分的轉換。
4. 直流電壓偏移：除了接觸阻抗，電極也可能出現直流偏移電壓 (每個電極的串連電壓來源)。如果左右手電極的直流電壓偏移不同，可能會在 ECG 輸入訊號中造成差分直流電壓偏移，幅度約為數百毫伏特，且可能限制可用的 INA 增益。高 INA 增益能提高 ADC 輸入端的訊號強度，改善 ECG 訊號擷取的訊噪比。AFE4950 的 INA 內建高通濾波器(HPF)，能抑制輸入端的差分直流電壓偏移，達到高 INA 增益。

AFE4950 生物感測 AFE 非常適合用於穿戴式裝置的 ECG 訊號擷取。在雜訊抑制上，INA 與 ADC 之間的 300 Hz 低通濾波器能作為抗混疊濾波器。在訊號衰減上，AFE4950 的直流輸入阻抗約為 10 GΩ，即使採用小型電極，也能將 ECG 訊號衰減程度降到最低。AFE4950 並可同步擷取 ECG 與 PPG 訊號，由於 ECG 與 PPG 波形之間的時間差可反映血壓高低，因此 AFE4950 是與穿戴式裝置整合的設計首選，能實現無臂帶式血壓監測功能。

AFE4950 的原理圖如圖 3 所示。

圖 3：AFE4950 原理圖

挑戰5：研發時間

研發時間是設計 ECG 穿戴式裝置的另一個常見挑戰。搭配經美國食藥署許可、由生技新創 B-Secur 開發的 HeartKey® ECG 演算法軟體，AFE4950 整合解決方案能幫助設計人員節省數月的研發時間，加速實現臨床等級的監測精準度。更多相關資訊，可瀏覽公司新聞稿：〈B-Secur 與德州儀器攜手為消費性穿戴式裝置提供強大醫療級 ECG/EKG 監測功能〉。

結論

在穿戴式裝置中進行 ECG 等健康監測並不容易，但 AFE 扮演極重要角色，不只有助克服多項設計難題，更能在智慧手錶等個人裝置中，擷取到臨床等級的高品質 ECG 訊號。在健康監測領域，這項技術將是深具潛力的明日之星。

未來的智慧手錶將越趨先進，能偵測心臟異常，警示使用者及早尋求醫療協助。透過這些技術，大眾能在自家輕鬆量測重要健康參數，即時與醫師分享相關數據。除了 ECG，TI 旗下多元的生物感測系列產品更橫跨光體積變化描記圖 (PPG)、生物阻抗量測等多項應用，讓穿戴式裝置的健康監測功能發揮最佳潛力。