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蘋果偷偷購買光學芯片背后的野心

放大字體??縮小字體 時間:2021-05-21 16:43  ??來源:艾兒柏塔電子煙  熱度:38
使用可穿戴設備(如智能手表)來檢測和健康息息相關的生理信號正在成為可穿戴設備的重。。。
 使用可穿戴設備(如智能手表)來檢測和健康息息相關的生理信號正在成為可穿戴設備的重要賣點。在之前,主流的智能手表(如蘋果的Apple Watch)系列已經支持檢測心臟相關的ECG信號和血氧信號,而在新一代可穿戴設備中,下一代無創生理信號檢測正在快速覆蓋對于消費者來說更關鍵的信號,例如血壓和血糖。

例如,今年剛發布的三星Galaxy Watch 3中,除了傳統的ECG信號之外,還支持用無創的方式去測量血壓。

此外,根據外媒的報道,蘋果的下一代Watch有很大可能會加入無創檢測血糖的功能,從而為糖尿病患者帶來全新的健康管理體驗。

我們認為,可穿戴設備使用無創的方式去監測血糖、血壓等重要生理信號將會大大拓寬可穿戴設備的用戶人群,同時也將會給提供檢測能力的相關芯片提供商帶來更大的市場。于此相呼應的是,英國光學芯片獨角獸公司Rockley在其最近發布的信息披露中顯示,可穿戴設備正在成為其主要的目標市場。Rockley在不久前使用SPAC的方式在紐約證券交易所上市,市值達12億美元,其主要的市場除了傳統的光通信市場外,還包括可穿戴設備。其針對可穿戴市場的光學芯片模組的主要特性是可以單模組實現多模態檢測,即實現同時測量多個生理信號。同時,在Rockley披露的信息中心,預計在2023年最大的移動端客戶目前已經和Rockley簽訂了超過7000萬美元的訂單,該客戶被普遍認為是蘋果;而第二大客戶是一家中國主流手機廠商。因此,我們認為用于可穿戴設備生理信號檢測的芯片在全球范圍內的市場容量將在近期快速提升。

基于現有技術做漸進式改良實現的血壓檢測

目前,已經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)來實現。PPG檢測的原理是,LED發射不同頻段的光(例如紅外線和綠光頻段),光透過皮膚進入血管并且回波反射回光檢測器(photon detector,PD)端,根據人體血管內的血流特性,該回波也會有不同的性質。因此,根據不同頻段回波的特性,可以讀出各種生理信號。

PPG最直接相關的信號是心律和血氧信號,其中心律信號讀出最為自然,由于血管中在心跳的不同階段血流的流速和體積會有所不同,因此讀出的PPG回波信號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。血氧信號則是根據不同的頻段光對于血氧含量有不同的回波信號特性,并且根據分析公式來讀出。因此,PPG用于心律和血氧的讀出可以說已經經過了長期的技術驗證,相關技術在可穿戴設備出現前就已經進入了醫療設備中,而進入可穿戴設備主要是進行了PPG的小型化和低功耗優化。

使用相同的PPG技術也可以讀出血壓。相對而言,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,而是要靠大數據分析去建模,而這也是之前大數據和機器學習的概念沒有深入人心之前,PPG測量血壓主要在學術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據的概念,基于PPG加機器學習建模來讀出血壓正在得到認可。三星基于PPG來實現血壓監控的可穿戴設備已經獲得韓國醫療系統的認證,目前正在申請FDA認證,一旦獲得FDA認證則三星的Galaxy Watch系列的持續血壓檢測功能將會正式在美國推出。目前,PPG來測量血壓的精確度仍然比傳統血壓測量方法要差一些,但是隨著數據的積累,我們認為未來會推出越來越精確的機器學習模型,從而最終讓基于PPG的可穿戴設備實現高精度持續血壓檢測。

在芯片方面,我們認為PPG系列芯片的一個重要趨勢就是集成度提高,例如將LED和PD以及用于后續信號處理的模擬前端(AFE)都集成到同一芯片上,從而實現更小的體積和更低的成本。尤其是隨著耳機類可穿戴設備的持續升溫,已經有不少廠商在研究將PPG集成到智能耳機中(例如三星在ISSCC 2021中發表的相關芯片),從而進一步拓寬PPG測量生理信號的市場;而集成進入耳機的一個重要需求就是模組體積要足夠小,因此更高的集成度將會是PPG領域的重要發展方向。另一個方向就是如何進一步降低功耗,因為生理信號的檢測未來的目標通常是持續監測,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檢測不會成為電池使用時間的瓶頸,而這也就意味著模擬前端電路的進一步優化。

基于全新技術的無創血糖檢測

對于糖尿病患者來說,血糖監測是健康管理的重要環節,但是傳統的有創血糖監測對于患者來說較為麻煩,而且難以做到實時監控,因此如果能普及無創實時血糖監測,則這樣的技術將會成為糖尿病患者健康管理的革命性突破。

與基于成熟PPG技術做血壓監測不同,可穿戴設備中的無創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。該技術掃描紅外頻段的光波,根據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共振峰,因此通過在相關頻段內讀出的頻譜特性就可以估計血糖。

從技術上來說,紅外頻譜儀需要掃描的頻點會多于PPG,此外其讀出的信號是頻域信號,而非PPG的時域回波信號,因此技術上要比PPG挑戰度更大。尤其是需要把紅外頻譜儀做到可穿戴設備中時,需要實現小型化的光源和能在頻段上都有較好靈敏度的PD,這一點對于光模組的設計具有相當的挑戰,因此相對于PPG來說進入門檻更高,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品的重要原因。

除了使用紅外頻譜儀技術之外,另一個可能的技術方向是使用毫米波技術。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現類似的功能。在毫米波頻段的主要優勢是成本可以做到更低,但是其測量精度相對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,基于毫米波技術的方案有可能會在低成本設備上更有優勢。

生理信號檢測芯片技術和市場前瞻

如前所述,以血壓和血糖為代表的的下一代生理信號檢測將會成為可穿戴設備的重要特性,而相關的芯片市場也變得更有吸引力。

測量血壓將成為PPG技術和芯片的重要賣點。由于PPG技術已經日益成熟,我們認為血壓檢測將會快速普及到可穿戴設備中,而相關芯片和模組供應商將會在集成度、成本、功耗、靈敏度等指標上進一步提升,以滿足不同可穿戴設備(例如智能耳機)的需求。未來使用PPG技術的心律、血氧和血壓檢測將會成為可穿戴設備的標配。

基于頻譜技術的血糖檢測則有更高的針對性。對于糖尿病患者來說,監控血糖過程中對于精度的要求較高,加上該技術的門檻也較高,因此我們認為最有可能的市場發展方向是走專用的高附加值市場,而不是低價競爭策略。在這樣的市場競爭格局下,我們認為將會有一兩家擁有獨家技術的芯片廠商占領大部分市場利潤。

對于中國芯片行業來說,PPG是一個不錯的進入方向,該技術中各環節中國半導體行業都有不錯的技術儲備,可望在未來幾年內推出產品并成為有力的競爭者。對于頻譜技術,則更需要在光模組、芯片和集成技術等多方面努力,希望在未來也能進入該市場。

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