技術(shù)
導(dǎo)讀:根據(jù)外媒的報(bào)道,蘋果的下一代Watch有很大可能會(huì)加入無創(chuàng)檢測血糖的功能,從而為糖尿病患者帶來全新的健康管理體驗(yàn)。
使用可穿戴設(shè)備(如智能手表)來檢測和健康息息相關(guān)的生理信號(hào)正在成為可穿戴設(shè)備的重要賣點(diǎn)。在之前,主流的智能手表(如蘋果的Apple Watch)系列已經(jīng)支持檢測心臟相關(guān)的ECG信號(hào)和血氧信號(hào),而在新一代可穿戴設(shè)備中,下一代無創(chuàng)生理信號(hào)檢測正在快速覆蓋對(duì)于消費(fèi)者來說更關(guān)鍵的信號(hào),例如血壓和血糖。
例如,今年剛發(fā)布的三星Galaxy Watch 3中,除了傳統(tǒng)的ECG信號(hào)之外,還支持用無創(chuàng)的方式去測量血壓。
此外,根據(jù)外媒的報(bào)道,蘋果的下一代Watch有很大可能會(huì)加入無創(chuàng)檢測血糖的功能,從而為糖尿病患者帶來全新的健康管理體驗(yàn)。
我們認(rèn)為,可穿戴設(shè)備使用無創(chuàng)的方式去監(jiān)測血糖、血壓等重要生理信號(hào)將會(huì)大大拓寬可穿戴設(shè)備的用戶人群,同時(shí)也將會(huì)給提供檢測能力的相關(guān)芯片提供商帶來更大的市場。
于此相呼應(yīng)的是,英國光學(xué)芯片獨(dú)角獸公司Rockley在其最近發(fā)布的信息披露中顯示,可穿戴設(shè)備正在成為其主要的目標(biāo)市場。Rockley在不久前使用SPAC的方式在紐約證券交易所上市,市值達(dá)12億美元,其主要的市場除了傳統(tǒng)的光通信市場外,還包括可穿戴設(shè)備。其針對(duì)可穿戴市場的光學(xué)芯片模組的主要特性是可以單模組實(shí)現(xiàn)多模態(tài)檢測,即實(shí)現(xiàn)同時(shí)測量多個(gè)生理信號(hào)。
同時(shí),在Rockley披露的信息中心,預(yù)計(jì)在2023年最大的移動(dòng)端客戶目前已經(jīng)和Rockley簽訂了超過7000萬美元的訂單,該客戶被普遍認(rèn)為是蘋果;而第二大客戶是一家中國主流手機(jī)廠商。因此,我們認(rèn)為用于可穿戴設(shè)備生理信號(hào)檢測的芯片在全球范圍內(nèi)的市場容量將在近期快速提升。
01、基于現(xiàn)有技術(shù)做漸進(jìn)式改良實(shí)現(xiàn)的血壓檢測
目前,已經(jīng)在智能手表上普及的心律和血氧檢測都是基于PPG(Photoplethysmography,光體積變化描記圖法)來實(shí)現(xiàn)。PPG檢測的原理是,LED發(fā)射不同頻段的光(例如紅外線和綠光頻段),光透過皮膚進(jìn)入血管并且回波反射回光檢測器(photon detector,PD)端,根據(jù)人體血管內(nèi)的血流特性,該回波也會(huì)有不同的性質(zhì)。因此,根據(jù)不同頻段回波的特性,可以讀出各種生理信號(hào)。
PPG最直接相關(guān)的信號(hào)是心律和血氧信號(hào),其中心律信號(hào)讀出最為自然,由于血管中在心跳的不同階段血流的流速和體積會(huì)有所不同,因此讀出的PPG回波信號(hào)也是隨著心律而周期性變化,因此只要讀出PPG的回波周期就能得到心律。血氧信號(hào)則是根據(jù)不同的頻段光對(duì)于血氧含量有不同的回波信號(hào)特性,并且根據(jù)分析公式來讀出。
因此,PPG用于心律和血氧的讀出可以說已經(jīng)經(jīng)過了長期的技術(shù)驗(yàn)證,相關(guān)技術(shù)在可穿戴設(shè)備出現(xiàn)前就已經(jīng)進(jìn)入了醫(yī)療設(shè)備中,而進(jìn)入可穿戴設(shè)備主要是進(jìn)行了PPG的小型化和低功耗優(yōu)化。
使用相同的PPG技術(shù)也可以讀出血壓。相對(duì)而言,PPG測量血壓目前并沒有第一性原理和分析性公式可以依賴,而是要靠大數(shù)據(jù)分析去建模,而這也是之前大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的概念沒有深入人心之前,PPG測量血壓主要在學(xué)術(shù)界而遲遲難以商用化的原因。而隨著越來越多的人接受大數(shù)據(jù)的概念,基于PPG加機(jī)器學(xué)習(xí)建模來讀出血壓正在得到認(rèn)可。
三星基于PPG來實(shí)現(xiàn)血壓監(jiān)控的可穿戴設(shè)備已經(jīng)獲得韓國醫(yī)療系統(tǒng)的認(rèn)證,目前正在申請(qǐng)F(tuán)DA認(rèn)證,一旦獲得FDA認(rèn)證則三星的Galaxy Watch系列的持續(xù)血壓檢測功能將會(huì)正式在美國推出。目前,PPG來測量血壓的精確度仍然比傳統(tǒng)血壓測量方法要差一些,但是隨著數(shù)據(jù)的積累,我們認(rèn)為未來會(huì)推出越來越精確的機(jī)器學(xué)習(xí)模型,從而最終讓基于PPG的可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)高精度持續(xù)血壓檢測。
在芯片方面,我們認(rèn)為PPG系列芯片的一個(gè)重要趨勢就是集成度提高,例如將LED和PD以及用于后續(xù)信號(hào)處理的模擬前端(AFE)都集成到同一芯片上,從而實(shí)現(xiàn)更小的體積和更低的成本。
尤其是隨著耳機(jī)類可穿戴設(shè)備的持續(xù)升溫,已經(jīng)有不少廠商在研究將PPG集成到智能耳機(jī)中(例如三星在ISSCC 2021中發(fā)表的相關(guān)芯片),從而進(jìn)一步拓寬PPG測量生理信號(hào)的市場;而集成進(jìn)入耳機(jī)的一個(gè)重要需求就是模組體積要足夠小,因此更高的集成度將會(huì)是PPG領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。
另一個(gè)方向就是如何進(jìn)一步降低功耗,因?yàn)樯硇盘?hào)的檢測未來的目標(biāo)通常是持續(xù)監(jiān)測,這也就意味著每次測量必須能量消耗足夠小,才能保證這樣的生理信號(hào)檢測不會(huì)成為電池使用時(shí)間的瓶頸,而這也就意味著模擬前端電路的進(jìn)一步優(yōu)化。
02、基于全新技術(shù)的無創(chuàng)血糖檢測
對(duì)于糖尿病患者來說,血糖監(jiān)測是健康管理的重要環(huán)節(jié),但是傳統(tǒng)的有創(chuàng)血糖監(jiān)測對(duì)于患者來說較為麻煩,而且難以做到實(shí)時(shí)監(jiān)控,因此如果能普及無創(chuàng)實(shí)時(shí)血糖監(jiān)測,則這樣的技術(shù)將會(huì)成為糖尿病患者健康管理的革命性突破。
與基于成熟PPG技術(shù)做血壓監(jiān)測不同,可穿戴設(shè)備中的無創(chuàng)血糖檢測目前最有希望的方式是基于紅外頻段的頻譜儀(IR Spectroscopy)技術(shù)。該技術(shù)掃描紅外頻段的光波,根據(jù)光波在不同頻段的吸收來判斷血糖濃度。其原理是人體血糖的分子特性決定了其通常有幾個(gè)共振峰,因此通過在相關(guān)頻段內(nèi)讀出的頻譜特性就可以估計(jì)血糖。
從技術(shù)上來說,紅外頻譜儀需要掃描的頻點(diǎn)會(huì)多于PPG,此外其讀出的信號(hào)是頻域信號(hào),而非PPG的時(shí)域回波信號(hào),因此技術(shù)上要比PPG挑戰(zhàn)度更大。尤其是需要把紅外頻譜儀做到可穿戴設(shè)備中時(shí),需要實(shí)現(xiàn)小型化的光源和能在頻段上都有較好靈敏度的PD,這一點(diǎn)對(duì)于光模組的設(shè)計(jì)具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn),因此相對(duì)于PPG來說進(jìn)入門檻更高,能做好的公司也較少。這也是Rockley在投資信息披露中,把其頻譜儀作為拳頭產(chǎn)品的重要原因。
除了使用紅外頻譜儀技術(shù)之外,另一個(gè)可能的技術(shù)方向是使用毫米波技術(shù)。與紅外頻段類似,在毫米波頻段血糖也存在一些吸收峰,因此可以通過把頻譜儀電路和芯片搬到毫米波頻段來實(shí)現(xiàn)類似的功能。在毫米波頻段的主要優(yōu)勢是成本可以做到更低,但是其測量精度相對(duì)于紅外頻段來說要低一些,此外毫米波波長的特性決定了其天線的尺寸可能會(huì)成為限制毫米波解決方案集成度的瓶頸。因此,基于毫米波技術(shù)的方案有可能會(huì)在低成本設(shè)備上更有優(yōu)勢。
03、生理信號(hào)檢測芯片技術(shù)和市場前瞻
如前所述,以血壓和血糖為代表的的下一代生理信號(hào)檢測將會(huì)成為可穿戴設(shè)備的重要特性,而相關(guān)的芯片市場也變得更有吸引力。
測量血壓將成為PPG技術(shù)和芯片的重要賣點(diǎn)。由于PPG技術(shù)已經(jīng)日益成熟,我們認(rèn)為血壓檢測將會(huì)快速普及到可穿戴設(shè)備中,而相關(guān)芯片和模組供應(yīng)商將會(huì)在集成度、成本、功耗、靈敏度等指標(biāo)上進(jìn)一步提升,以滿足不同可穿戴設(shè)備(例如智能耳機(jī))的需求。未來使用PPG技術(shù)的心律、血氧和血壓檢測將會(huì)成為可穿戴設(shè)備的標(biāo)配。
基于頻譜技術(shù)的血糖檢測則有更高的針對(duì)性。對(duì)于糖尿病患者來說,監(jiān)控血糖過程中對(duì)于精度的要求較高,加上該技術(shù)的門檻也較高,因此我們認(rèn)為最有可能的市場發(fā)展方向是走專用的高附加值市場,而不是低價(jià)競爭策略。在這樣的市場競爭格局下,我們認(rèn)為將會(huì)有一兩家擁有獨(dú)家技術(shù)的芯片廠商占領(lǐng)大部分市場利潤。
對(duì)于中國芯片行業(yè)來說,PPG是一個(gè)不錯(cuò)的進(jìn)入方向,該技術(shù)中各環(huán)節(jié)中國半導(dǎo)體行業(yè)都有不錯(cuò)的技術(shù)儲(chǔ)備,可望在未來幾年內(nèi)推出產(chǎn)品并成為有力的競爭者。對(duì)于頻譜技術(shù),則更需要在光模組、芯片和集成技術(shù)等多方面努力,希望在未來也能進(jìn)入該市場。
本文經(jīng)半導(dǎo)體行業(yè)觀察授權(quán)轉(zhuǎn)載。