腦電波傳感器為移動(dòng)醫(yī)療裝置增添感測(cè)功能

　　為準(zhǔn)確、有效地?cái)X取微弱的生物訊號(hào)，消噪技術(shù)一直是生物訊號(hào)傳感器設(shè)計(jì)的重要核心關(guān)鍵。生物訊號(hào)感測(cè)系統(tǒng)單晶片(SoC)所搭載的高效能消噪技術(shù)，將能持續(xù)延伸腦波感測(cè)器應(yīng)用領(lǐng)域，加速?gòu)尼t(yī)療及一般性消費(fèi)性電子擴(kuò)大到智慧型手機(jī)、平板和行動(dòng)游戲機(jī)等行動(dòng)通訊消費(fèi)性電子產(chǎn)品。
　　擴(kuò)大腦波應(yīng)用領(lǐng)域　感測(cè)器抗干擾能力至為關(guān)鍵

　　由于包括電腦、燈泡、插座與手機(jī)等電氣設(shè)備乃至生物本身肌肉、脈搏均會(huì)產(chǎn)生不同程度的噪音干擾，而這些噪音的生成更會(huì)進(jìn)一步阻礙生物訊號(hào)傳感器擷取微弱生理訊號(hào)如腦電波的過(guò)程，因此要從這些干擾噪音里進(jìn)行準(zhǔn)確捕捉人的腦波相當(dāng)困難。
　　為提高腦電波訊號(hào)品質(zhì)，傳統(tǒng)的感測(cè)器通常得搭配醫(yī)療凝膠來(lái)提高導(dǎo)電性。由于現(xiàn)今大部分的家庭都沒(méi)有符合醫(yī)療環(huán)境的要求，且大多數(shù)人也不想每次佩戴腦電波設(shè)備時(shí)都必須使用導(dǎo)電凝膠，因此提升生物訊號(hào)傳感器消噪能力，已成為擴(kuò)大此一應(yīng)用市場(chǎng)的關(guān)鍵要素。
　　消噪技術(shù)的突破，系生物訊號(hào)感測(cè)晶片導(dǎo)入行動(dòng)裝置的關(guān)鍵，可望進(jìn)一步擴(kuò)大生物訊號(hào)傳感器應(yīng)用市場(chǎng)。目前具有專利的技術(shù)包括噪音過(guò)濾，以及使用不帶凝膠的干式傳感器，并可應(yīng)用在嘈雜環(huán)境中，核心技術(shù)還包括精巧的電路設(shè)計(jì)。 要把腦電波訊號(hào)從干擾噪音中區(qū)分出來(lái)，需要一個(gè)參考電極和接地電極。接地電極讓人體電壓與耳機(jī)電壓持平，而參考電極透過(guò)共模抑制，可過(guò)濾周?chē)沫h(huán)境噪音。
　　因應(yīng)此一技術(shù)挑戰(zhàn)，已有感測(cè)晶片業(yè)者研發(fā)出獨(dú)特的消噪技術(shù)與訊號(hào)放大技術(shù)，可大限度地除掉肌肉、脈搏和電氣設(shè)備所發(fā)出的噪音，并透過(guò)濾波器過(guò)濾來(lái)自電網(wǎng)中50Hz或是60Hz的干擾雜訊，將人體腦波傳遞的訊息完整接收，并準(zhǔn)確呈現(xiàn)在終端設(shè)備的顯示螢?zāi)簧稀?
　　此外，終端設(shè)備必須要能檢測(cè)到如眨眼等肌肉運(yùn)動(dòng)，故在測(cè)量腦電波時(shí)，須把肌肉產(chǎn)生的不必要雜訊一并過(guò)濾掉，或是把眨眼訊號(hào)擷取出來(lái)。因此，消噪技術(shù)須從前端積體電路設(shè)計(jì)至制造的部分，乃至后端應(yīng)用做通盤(pán)考量，以求得佳化的效能。
　　前端積體電路設(shè)計(jì)包含類(lèi)比消噪電路及數(shù)位消噪電路。類(lèi)比消噪電路是在有限的矽面積前提下，做佳化的設(shè)計(jì)和配置，以滿足生物訊號(hào)感測(cè)晶片應(yīng)用，擴(kuò)大至行動(dòng)裝置市場(chǎng)所產(chǎn)生的晶片尺寸微縮需求，并搭配數(shù)位消噪電路，透過(guò)類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)，將訊號(hào)取樣數(shù)位化后，再利用數(shù)位訊號(hào)處理器，經(jīng)由內(nèi)部演算法加以計(jì)算，以進(jìn)一步提升消噪的效能。
　　經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，數(shù)位消噪電路本身同時(shí)可透過(guò)晶圓的測(cè)試流程，抑或是由后面應(yīng)用端軟體程式化的方式，來(lái)滿足客制化的消噪需求。
以神念科技的生物訊號(hào)感測(cè)系統(tǒng)單晶片為例，其整合類(lèi)比與數(shù)位訊號(hào)處理器(DSP)與演算法，可在嘈雜環(huán)境做出準(zhǔn)確的生物訊號(hào)輸出。在后端晶片制造上，則采用聯(lián)電低噪制程技術(shù)，進(jìn)一步在矽基材上實(shí)現(xiàn)前端低噪設(shè)計(jì)，并達(dá)到晶片性能的佳化。
　　此外，在后端應(yīng)用部分，該系統(tǒng)單晶片利用軟體來(lái)執(zhí)行數(shù)位濾波功能，可因應(yīng)客戶不同頻帶的需求做出濾波器(Filter)濾波范圍的改變，并在非通帶頻率(Stop-Band Frequency)處做出快速衰減，以更進(jìn)一步提升訊噪比(SNR)與噪音消除的能力。
　　再加上對(duì)稱化的設(shè)計(jì)所達(dá)到的平衡使得晶片本身在直流偏移(DC Offset)與共模抑制比(CMRR)這兩個(gè)參數(shù)上先天就有很好的性能表現(xiàn)，此一軟硬體效能，也使得生物訊號(hào)感測(cè)晶片能被科研設(shè)備采納，有效量測(cè)生物體內(nèi)神經(jīng)活動(dòng)，其量測(cè)精確度更達(dá)科研用腦波儀的96%，而設(shè)備費(fèi)用卻遠(yuǎn)低于一般科研用設(shè)備。
　　新一代消噪技術(shù)助力　生物感測(cè)器準(zhǔn)確度更高

　　目前，生物感測(cè)晶片業(yè)者已積極研發(fā)屬于一種環(huán)境適應(yīng)型的消噪技術(shù)，具備功耗更少、尺寸更小，且效能更高的優(yōu)勢(shì)。這樣的設(shè)計(jì)，可讓系統(tǒng)主動(dòng)精確地偵測(cè)出感測(cè)器與人體接觸時(shí)細(xì)微的壓力變化，并提供接觸電阻預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，以事先推估出可能產(chǎn)生的噪音數(shù)量，主動(dòng)在消噪的能力或模式做出調(diào)整。
　　新一代消噪系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上將會(huì)朝向能主動(dòng)偵測(cè)出不平衡的噪音，并搭配如韌體與演算法智慧化做出消噪模式與消噪能力調(diào)整，發(fā)揮該情境下佳的消噪效能。
　　盡管腦波感測(cè)晶片可以呈現(xiàn)許多醫(yī)療資訊，但該晶片對(duì)人體是否有危害，亦成為業(yè)界關(guān)注重點(diǎn)。由于腦波感測(cè)技術(shù)為單向的傳遞行為，意即晶片只負(fù)責(zé)接收人體的腦電波訊號(hào)，并不具有發(fā)射的功能，因此不會(huì)影響使用者大腦的思維。
　　此外，目前晶片業(yè)者也積極發(fā)展演算法，并利用腦波感測(cè)器擷取的數(shù)據(jù)，解讀人類(lèi)的心智狀況。因此，未來(lái)腦波感測(cè)器應(yīng)用，將進(jìn)入到心電、肌電、眼電等生物訊號(hào)傳感器領(lǐng)域。