從蘋果無創(chuàng)血糖技術(shù)談起，大有可為的生物傳感芯片

激石Pepperstone(http://wargoo.com/)報(bào)道：

近日，著名的蘋果消息靈通人士Mark Gurman發(fā)布了蘋果的無創(chuàng)血糖傳感技術(shù)取得重要里程碑。據(jù)悉，蘋果在無創(chuàng)血糖方面已經(jīng)有了超過十年的技術(shù)投入，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)了在iPhone大小的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)血糖監(jiān)控，有望在未來幾年進(jìn)一步成熟后進(jìn)入Apple Watch產(chǎn)品中。

該消息在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域領(lǐng)域可謂是一個(gè)重磅消息。對(duì)于糖尿病患者來說，無創(chuàng)血糖監(jiān)測是一個(gè)重要的需求，目前的有創(chuàng)血糖監(jiān)控對(duì)于患者來說不僅麻煩而且痛苦，同時(shí)也降低了患者定期檢測的依從性，因此如果能實(shí)現(xiàn)高精度無創(chuàng)血糖監(jiān)控，無疑是給全球眾多的糖尿病患者帶來了福音，同時(shí)擁有該技術(shù)的智能可穿戴設(shè)備也將會(huì)進(jìn)一步打開可穿戴設(shè)備的市場份額。

根據(jù)目前公布的資料，蘋果無創(chuàng)血糖技術(shù)中用到的技術(shù)可能是基于激光的熒光技術(shù)。該技術(shù)的原理是，當(dāng)激光照射到血管中時(shí)，會(huì)引發(fā)血液的熒光現(xiàn)象，而血液熒光的持續(xù)時(shí)間和血液中的血糖濃度有關(guān)，因此通過檢測血液熒光的持續(xù)時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)血糖監(jiān)控。

從該技術(shù)的原理我們認(rèn)為該技術(shù)中用到的生物傳感器有很高的門檻，這也是蘋果需要大量時(shí)間持續(xù)投入研發(fā)的原因。首先，無創(chuàng)血糖生物傳感器需要一個(gè)微型激光光源，該激光光源的體積要足夠小到能集成到可穿戴設(shè)備中，功耗也要足夠低，但是同時(shí)其激光發(fā)射功率又不能太小，否則可能無法提供足夠高的信號(hào)強(qiáng)度供準(zhǔn)確血糖讀出。這樣的體積－能效比－發(fā)射功率三者之間的互相制約將會(huì)是該技術(shù)最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之一。除了光源之外，另一個(gè)核心挑戰(zhàn)是如何設(shè)計(jì)無創(chuàng)血糖生物傳感器中的讀出芯片。為了能準(zhǔn)確讀出微弱的熒光信號(hào)，讀出芯片必須能有高信噪比，同時(shí)又能夠過濾激光光源帶來的干擾，而這一切都需要在很小的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)，這也為芯片設(shè)計(jì)帶來了很大的挑戰(zhàn)。

然而，經(jīng)過蘋果多年的研發(fā)，終究無創(chuàng)血糖傳感器還是到了一個(gè)較為完善的地步，進(jìn)入量產(chǎn)已經(jīng)并不遙遠(yuǎn)。這也將為可穿戴式設(shè)備的生物傳感器市場注入動(dòng)力，因?yàn)檫@可望會(huì)成為一個(gè)全新的市場。

無創(chuàng)血糖之外的其他熱門生物傳感應(yīng)用

如前所述，蘋果的無創(chuàng)血糖監(jiān)控技術(shù)可望大大提升可穿戴設(shè)備的市場容量，并且?guī)?dòng)相關(guān)生物傳感器的市場和技術(shù)。我們認(rèn)為，可穿戴設(shè)備結(jié)合下一代生物傳感器技術(shù)除了無創(chuàng)血糖之外，還會(huì)通過給用戶帶來新的用戶體驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)新的市場突破。這些新的用戶體驗(yàn)中，最熱門的就包括實(shí)時(shí)血壓監(jiān)控和EMG信號(hào)監(jiān)控。

首先，實(shí)時(shí)血壓監(jiān)控將會(huì)給有心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)的用戶帶來革命性的健康管理工具。一般來說，血壓在每天中都會(huì)有波動(dòng)，但是傳統(tǒng)的血壓測量方法對(duì)于用戶來說并不方便，因此很難實(shí)現(xiàn)高頻率地測量，更不用說實(shí)時(shí)監(jiān)控，這樣就給心血管疾病的管理帶來的困難。而在可穿戴手表中的實(shí)時(shí)血壓監(jiān)控則可以解決這個(gè)問題。從技術(shù)上來說，實(shí)時(shí)血壓監(jiān)控使用的是PPG傳感器搭配機(jī)器學(xué)習(xí)算法。PPG傳感器技術(shù)并不新，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在可穿戴設(shè)備的心率和血氧指標(biāo)檢測中。但是，當(dāng)使用PPG來檢測血壓的時(shí)候，首先對(duì)于PPG的讀出精度有了不同的需求，這也就需要PPG傳感器的指標(biāo)有新的進(jìn)步；

另一方面，更重要的是相關(guān)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。因?yàn)镻PG和血壓之間并非簡單的線性關(guān)系而是會(huì)有一個(gè)復(fù)雜的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要考慮各種因素，因此當(dāng)使用PPG來檢測血壓的時(shí)候，就需要能運(yùn)行一個(gè)相關(guān)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。顯然，這樣的機(jī)器學(xué)習(xí)算法需要能在可穿戴設(shè)備直接運(yùn)行而不能到云端去運(yùn)行，因此可穿戴設(shè)備上的芯片就需要有這樣的運(yùn)行人工智能算法的能力，而且隨著人工智能算法的逐漸演進(jìn)，為了實(shí)現(xiàn)高精度的PPG－血壓監(jiān)控，相關(guān)算法很可能會(huì)越來越復(fù)雜，因此也就需要可穿戴設(shè)備對(duì)于這樣的算法有相應(yīng)的支持。此外，人工智能算法也需要高質(zhì)量的輸入，因此PPG傳感器能提供的信號(hào)質(zhì)量也會(huì)成為人工智能算法輸出準(zhǔn)確度的關(guān)鍵指標(biāo)。

除了血壓監(jiān)控之外，EMG也是一個(gè)很有潛力的方向。EMG可以實(shí)現(xiàn)肌肉相關(guān)的神經(jīng)信號(hào)讀出，從而可以高精度監(jiān)控手部的細(xì)微動(dòng)作，舉例來說手指的細(xì)微彎曲，兩個(gè)手指的上下動(dòng)作等等。而這也會(huì)是未來AR等新應(yīng)用中的重要一環(huán)，因?yàn)锳R等頭戴式設(shè)備中，如何實(shí)現(xiàn)用戶輸入一直是一個(gè)很難的問題，而如果可以通過手部的細(xì)微動(dòng)作就來操作AR設(shè)備就會(huì)是一個(gè)重要的突破。在五年前，初創(chuàng)公司CTRL Labs已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了使用EMG來讓用戶用手部細(xì)微動(dòng)作來操作復(fù)雜的電腦游戲，而該公司已經(jīng)在2020年被Facebook收購。隨著硅谷各大科技巨頭都在押注ARVR，我們預(yù)計(jì)EMG相關(guān)的生物傳感器也會(huì)成為熱點(diǎn)。EMG傳感芯片主要分為兩部分，一部分是傳感部分，使用電極讀出用戶的神經(jīng)信號(hào)，該部分需要高精度模擬信號(hào)處理來確保讀出信號(hào)的信噪比。EMG傳感器的另一部分是人工智能部分，在讀出神經(jīng)信號(hào)之后，如何把這些信號(hào)對(duì)應(yīng)到相關(guān)的手部動(dòng)作，該操作最有可能還是會(huì)需要人工智能來完成，因此這就需要EMG可穿戴式設(shè)備能完成人工智能算法的加速。

生物傳感器未來發(fā)展方向

如前所述，我們看到了可穿戴設(shè)備中的生物傳感器在未來幾年可望會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。我們認(rèn)為，這些新的發(fā)展方向基本可以概括為如下兩個(gè)方面：

首先是新模態(tài)新號(hào)的傳感，這就包括了熒光信號(hào)，EMG信號(hào)等。通常來說，這類信號(hào)的傳感在較大的設(shè)備中已經(jīng)有了先例，這里的挑戰(zhàn)主要是如何把相關(guān)的系統(tǒng)小型化，能用體積可以被可穿戴設(shè)備容納的芯片系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然挑戰(zhàn)也有很多，比如我們之前提到的體積、信噪比、能效比和輸出功率等，這里需要傳感器、模擬電路和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域的交叉優(yōu)化才能實(shí)現(xiàn)。

其次是智能化，即相關(guān)人工智能算法的支持。目前人工智能已經(jīng)成為許多傳感器輸出信號(hào)處理的首選方案，而隨著人工智能的演進(jìn)，勢必需要可穿戴設(shè)備越來越多地支持傳感器相關(guān)的人工智能算法，因此我們可望會(huì)看到越來越多的人工智能相關(guān)模塊會(huì)出現(xiàn)在可穿戴設(shè)備中，這也將會(huì)為人工智能相關(guān)芯片和IP帶來新的市場。?????????