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    腦電波傳感器進駐 移動裝置增添醫療感測功能

    為準確、有效地擷取微弱的生物訊號,消噪技術一直是生物訊號傳感器設計的重要核心關鍵。生物訊號感測系統單晶片(SoC)所搭載的高效能消噪技術,將能持續延伸腦波感測器應用領域,加速從醫療及一般性消費性電子擴大到智慧型手機、平板和行動游戲機等行動通訊消費性電子產品(圖1)。

    圖1?高效能消噪技術將可擴大腦波感測器應用范疇。

    擴大腦波應用領域感測器抗干擾能力至為關鍵由于包括電腦、燈泡、插座與手機等電氣設備乃至生物本身肌肉、脈搏均會產生不同程度的噪音干擾,而這些噪音的生成更會進一步阻礙生物訊號傳感器擷取微弱生理訊號如腦電波的過程,因此要從這些干擾噪音里進行準確捕捉人的腦波相當困難。

    為提高腦電波訊號品質,傳統的感測器通常得搭配醫療凝膠來提高導電性。由于現今大部分的家庭都沒有符合醫療環境的要求,且大多數人也不想每次佩戴腦電波設備時都必須使用導電凝膠,因此提升生物訊號傳感器消噪能力,已成為擴大此一應用市場的關鍵要素。

    消噪技術的突破,系生物訊號感測晶片導入行動裝置的關鍵,可望進一步擴大生物訊號傳感器應用市場。目前具有專利的技術包括噪音過濾,以及使用不帶凝膠的干式傳感器,并可應用在嘈雜環境中,核心技術還包括精巧的電路設計。?要把腦電波訊號從干擾噪音中區分出來,需要一個參考電極和接地電極。接地電極讓人體電壓與耳機電壓持平,而參考電極透過共模抑制,可過濾周圍的環境噪音。

    因應此一技術挑戰,已有感測晶片業者研發出獨特的消噪技術與訊號放大技術,可最大限度地除掉肌肉、脈搏和電氣設備所發出的噪音,并透過濾波器過濾來自電網中50Hz或是60Hz的干擾雜訊,將人體腦波傳遞的訊息完整接收,并準確呈現在終端設備的顯示螢幕上。

    此外,終端設備必須要能檢測到如眨眼等肌肉運動,故在測量腦電波時,須把肌肉產生的不必要雜訊一并過濾掉,或是把眨眼訊號擷取出來。因此,消噪技術須從前端積體電路設計至制造的部分,乃至后端應用做通盤考量,以求得最佳化的效能。

    前端積體電路設計包含類比消噪電路及數位消噪電路。類比消噪電路是在有限的矽面積前提下,做最佳化的設計和配置,以滿足生物訊號感測晶片應用,擴大至行動裝置市場所產生的晶片尺寸微縮需求,并搭配數位消噪電路,透過類比數位轉換器(ADC),將訊號取樣數位化后,再利用數位訊號處理器,經由內部演算法加以計算,以進一步提升消噪的效能。

    經過設計,數位消噪電路本身同時可透過晶圓的測試流程,抑或是由后面應用端軟體程式化的方式,來滿足客制化的消噪需求。

    以神念科技的生物訊號感測系統單晶片為例,其整合類比與數位訊號處理器(DSP)與演算法,可在嘈雜環境做出最準確的生物訊號輸出。在后端晶片制造上,則采用聯電低噪制程技術,進一步在矽基材上實現前端低噪設計,并達到晶片性能的最佳化。

    此外,在后端應用部分,該系統單晶片利用軟體來執行數位濾波功能,可因應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,以更進一步提升訊噪比(SNR)與噪音消除的能力。

    再加上對稱化的設計所達到的平衡使得晶片本身在直流偏移(DC?Offset)與共模抑制比(CMRR)這兩個參數上先天就有很好的性能表現,此一軟硬體效能,也使得生物訊號感測晶片能被科研設備采納,有效量測生物體內神經活動,其量測精確度更達科研用腦波儀的96%,而設備費用卻遠低于一般科研用設備。

    新一代消噪技術助力 生物感測器準確度更高

    目前,生物感測晶片業者已積極研發屬于一種環境適應型的消噪技術,具備功耗更少、尺寸更小,且效能更高的優勢。這樣的設計,可讓系統主動精確地偵測出感測器與人體接觸時細微的壓力變化,并提供接觸電阻預測數據,以事先推估出可能產生的噪音數量,主動在消噪的能力或模式做出調整。

    新一代消噪系統在設計上將會朝向能主動偵測出不平衡的噪音,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整,發揮該情境下最佳的消噪效能。

    盡管腦波感測晶片可以呈現許多醫療資訊,但該晶片對人體是否有危害,亦成為業界關注重點。由于腦波感測技術為單向的傳遞行為,意即晶片只負責接收人體的腦電波訊號,并不具有發射的功能,因此不會影響使用者大腦的思維。

    此外,目前晶片業者也積極發展演算法,并利用腦波感測器擷取的數據,解讀人類的心智狀況。因此,未來腦波感測器應用,將進入到心電、肌電、眼電等生物訊號傳感器領域。(本文作者為神念科技積體電路產品工程經理)

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