感測器之健康科學應用

相子元、何金山、石又
2014-03-30

隨著電子科技進步,人體訊號感測器益發精準且體積也更加小巧、便於攜帶,使得感測技術於運動科學之應用越來越普遍。感測器藉由測量人體動作產生之生物力學參數如:加速度、角加速度、位移或生理學之心跳率等參數來提供運動之相關資訊。早期產品著重在感測訊號所代表意義之顯示,如運動消耗總熱量、運動時間、強度等訊息,近年則進一步將訊息整合、追蹤記錄,作為長期健康管理之應用。

早從1920年代就已經開始使用計步器(pedometer)來紀錄走路或跑步的步伐與步數,其原理是將內部的彈簧受到振動後的次數紀錄下來,利用單位時間內偵測到的振動次數推估身體活動量。計步器的方便性是易取得、價格便宜、容易操作,但只能紀錄彈簧受震動的次數,無法區分不同強度的震動,有低估實際身體活動量的可能性;且快跑等頻率較高的身體活動容易使彈簧來不及回復至起始位置,是造成計步器低估身體活動量的原因。計步器分為機械式與電子式,電子式的計步器除了可以計算步伐,還可以估計所走的距離,有學者研究比較不同計步器,證實其與實際值誤差在可接受範圍。

近代隨著微機電系統 (Micro Electro Mechanical System, MEMS) 發展成熟,價格也日趨便宜,以運動科學/運動生物力學原理之人體動作偵測益發容易,過去動輒需要造價數百萬元之動作分析實驗室設備已經逐漸有部分功能可由小型感測器取代,不但大幅減少設備費用,更因為其可攜帶性而突破了許多過去之實驗限制,也降低了時常需要改變實驗設計的窘境。有別於以往以錄影影像、力板資料、測力計與肌電訊號等作為主要研究儀器之實驗,感測器於生物力學研究領域之應用有逐漸增加的趨勢,目前應用較廣的感測器應用包含加速規(accelerometer,圖一)、陀螺儀(gyroscope)、慣性測量單元 (inertial measurement unit, IMU) 與全球衛星定位系統 (Global Position System, GPS)。

感測器之健康科學應用

圖一:三軸加速規(左圖)與具備無線功能之加速規模組(右圖)

加速規與陀螺儀為利用壓電晶片感測運動學中之加速度或角加速度參數,以輸出之電壓值表示測得之數據,近年來這兩種感測器因為應用於知名遊戲機Wii而聲名大噪,隨後也大量應用於個人隨身電子用品如手機、手錶等等。而慣性量測單元則是合併了加速規與陀螺儀兩者功能,可量測物體之速度、方向與重力。全球定位系統之應用則是以追蹤使用者運動時位移之距離,計算出人體運動時之軌跡、速度、時間等數據,再由這些數據換算消耗卡路里等運動資訊。利用單軸加速規原理製成的長時間攜帶式身體活動量檢測儀(如: Caltrac、ActiGraph)因為其體積小、價格便宜、對身體活動干擾少,所以在很多步行或跑步的研究中常用到。但因為它只可以偵測軀幹垂直方向的加速度,所以在自行車、游泳、重量訓練等運動,無法有良好的感應,而且對於地面坡度的改變、負重所增加的能量消耗其感應度不高。另一個限制是只能顯示總能量(卡路里),對於坐式日常活動的能量預估值很低。後來有利用三軸加速規原理製成的長時間攜帶式身體活動量檢測儀(如: Tritrac R3D、RT3)結合了垂直面、水平面、橫向面的動作資料,能夠更準確地提供身體活動的能量消耗值。

另外,心跳率經常被用來當作監測運動強度的簡易指標,運動員訓練時經常使用心跳率的範圍作為訓練強度的目標,傳統的量測方式依賴運動員自己以可觸知之脈搏跳動次數作為數據化依據,但由於運動中的震動使得量測易有誤差,若在運動中停下腳步來量測卻又無法偵測到實際運動中之心跳數據,施行上不甚方便。拜科技進步所賜,心率錶之發明使得運動中量測心跳變得十分便利,使用束在肋骨下緣之胸帶量測心肌電位變化的速率以計算心跳率,再藉由無線傳輸將心跳率傳送至腕錶顯示與記錄。心跳率除了以心率錶進行運動中量測以外,也有使用光學感測原理量測心跳率之感測器,利用紅外線偵測肢體末端微血管搏動進行心跳率計算。但心跳率的缺點是無法區分輕度和中度身體活動,因為心理的壓力或是身體溫度的改變就會顯著影響心跳率;而且每個人在相同心跳率時所承受的工作量並不相同,所以在估計能量消耗前必須先知道個人心跳率-氧消耗曲線。

現今功能性產品與整合型系統越來越多,不僅學術研究中使用,也出現在重視健康觀念的日常生活中。由於現代生活型態普遍缺乏健康觀念,在高度物資享受與運動習慣缺乏雙重衝擊下,中高年族群的「文明慢性病」比例也悄然急遽上昇,對國家社會經濟與醫療資源損耗,可謂相當驚人。根據工研院針對慢性病患的研究報告顯示,2006年台灣慢性病患人口統計數字已達700萬人,預估每年支出約100億美元醫療費用,同時將受到人口老化影響而快速成長。在這樣的潮流下,未來感測技術結合運動健康科技,所謂的:「個人化運動健康管理服務」將有多麼龐大的商機,這有別於傳統運動觀念,不再如此的索然無趣又可以提供使用者運動與健康方面的完整資訊,才有可能打造長壽又健康的人生。

相子元、何金山、石又    國立臺灣師範大學、國立體育大學

 

 

 

這是實用文