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苹果偷偷购买光学芯片背后的野心

时间:2021-05-10     作者:财经快讯【转载】   来自:36氪

使用可穿戴设备(如智能手表)来检测和健康息息相关的生理信号正在成为可穿戴设备的重要卖点。在之前,主流的智能手表(如苹果的Apple Watch)系列已经支持检测心脏相关的ECG信号和血氧信号,而在新一代可穿戴设备中,下一代无创生理信号检测正在快速覆盖对于消费者来说更关键的信号,例如血压和血糖。 

例如,今年刚发布的三星Galaxy Watch 3中,除了传统的ECG信号之外,还支持用无创的方式去测量血压。 

此外,根据外媒的报道,苹果的下一代Watch有很大可能会加入无创检测血糖的功能,从而为糖尿病患者带来全新的健康管理体验。 

我们认为,可穿戴设备使用无创的方式去监测血糖、血压等重要生理信号将会大大拓宽可穿戴设备的用户人群,同时也将会给提供检测能力的相关芯片提供商带来更大的市场。于此相呼应的是,英国光学芯片独角兽公司Rockley在其最近发布的信息披露中显示,可穿戴设备正在成为其主要的目标市场。

Rockley在不久前使用SPAC的方式在纽约证券交易所上市,市值达12亿美元,其主要的市场除了传统的光通信市场外,还包括可穿戴设备。其针对可穿戴市场的光学芯片模组的主要特性是可以单模组实现多模态检测,即实现同时测量多个生理信号。同时,在Rockley披露的信息中心,预计在2023年最大的移动端客户目前已经和Rockley签订了超过7000万美元的订单,该客户被普遍认为是苹果;而第二大客户是一家中国主流手机厂商。因此,我们认为用于可穿戴设备生理信号检测的芯片在全球范围内的市场容量将在近期快速提升。 

基于现有技术做渐进式改良实现的血压检测

目前,已经在智能手表上普及的心律和血氧检测都是基于PPG(Photoplethysmography,光体积变化描记图法)来实现。PPG检测的原理是,LED发射不同频段的光(例如红外线和绿光频段),光透过皮肤进入血管并且回波反射回光检测器(photon detector,PD)端,根据人体血管内的血流特性,该回波也会有不同的性质。因此,根据不同频段回波的特性,可以读出各种生理信号。 

PPG最直接相关的信号是心律和血氧信号,其中心律信号读出最为自然,由于血管中在心跳的不同阶段血流的流速和体积会有所不同,因此读出的PPG回波信号也是随着心律而周期性变化,因此只要读出PPG的回波周期就能得到心律。血氧信号则是根据不同的频段光对于血氧含量有不同的回波信号特性,并且根据分析公式来读出。因此,PPG用于心律和血氧的读出可以说已经经过了长期的技术验证,相关技术在可穿戴设备出现前就已经进入了医疗设备中,而进入可穿戴设备主要是进行了PPG的小型化和低功耗优化。 

使用相同的PPG技术也可以读出血压。相对而言,PPG测量血压目前并没有第一性原理和分析性公式可以依赖,而是要靠大数据分析去建模,而这也是之前大数据和机器学习的概念没有深入人心之前,PPG测量血压主要在学术界而迟迟难以商用化的原因。而随着越来越多的人接受大数据的概念,基于PPG加机器学习建模来读出血压正在得到认可。

三星基于PPG来实现血压监控的可穿戴设备已经获得韩国医疗系统的认证,目前正在申请FDA认证,一旦获得FDA认证则三星的Galaxy Watch系列的持续血压检测功能将会正式在美国推出。目前,PPG来测量血压的精确度仍然比传统血压测量方法要差一些,但是随着数据的积累,我们认为未来会推出越来越精确的机器学习模型,从而最终让基于PPG的可穿戴设备实现高精度持续血压检测。 

在芯片方面,我们认为PPG系列芯片的一个重要趋势就是集成度提高,例如将LED和PD以及用于后续信号处理的模拟前端(AFE)都集成到同一芯片上,从而实现更小的体积和更低的成本。尤其是随着耳机类可穿戴设备的持续升温,已经有不少厂商在研究将PPG集成到智能耳机中(例如三星在ISSCC 2021中发表的相关芯片),从而进一步拓宽PPG测量生理信号的市场;而集成进入耳机的一个重要需求就是模组体积要足够小,因此更高的集成度将会是PPG领域的重要发展方向。另一个方向就是如何进一步降低功耗,因为生理信号的检测未来的目标通常是持续监测,这也就意味着每次测量必须能量消耗足够小,才能保证这样的生理信号检测不会成为电池使用时间的瓶颈,而这也就意味着模拟前端电路的进一步优化。 

基于全新技术的无创血糖检测

对于糖尿病患者来说,血糖监测是健康管理的重要环节,但是传统的有创血糖监测对于患者来说较为麻烦,而且难以做到实时监控,因此如果能普及无创实时血糖监测,则这样的技术将会成为糖尿病患者健康管理的革命性突破。 

与基于成熟PPG技术做血压监测不同,可穿戴设备中的无创血糖检测目前最有希望的方式是基于红外频段的频谱仪(IR Spectroscopy)技术。该技术扫描红外频段的光波,根据光波在不同频段的吸收来判断血糖浓度。其原理是人体血糖的分子特性决定了其通常有几个共振峰,因此通过在相关频段内读出的频谱特性就可以估计血糖。 

从技术上来说,红外频谱仪需要扫描的频点会多于PPG,此外其读出的信号是频域信号,而非PPG的时域回波信号,因此技术上要比PPG挑战度更大。尤其是需要把红外频谱仪做到可穿戴设备中时,需要实现小型化的光源和能在频段上都有较好灵敏度的PD,这一点对于光模组的设计具有相当的挑战,因此相对于PPG来说进入门槛更高,能做好的公司也较少。这也是Rockley在投资信息披露中,把其频谱仪作为拳头产品的重要原因。 

除了使用红外频谱仪技术之外,另一个可能的技术方向是使用毫米波技术。与红外频段类似,在毫米波频段血糖也存在一些吸收峰,因此可以通过把频谱仪电路和芯片搬到毫米波频段来实现类似的功能。在毫米波频段的主要优势是成本可以做到更低,但是其测量精度相对于红外频段来说要低一些,此外毫米波波长的特性决定了其天线的尺寸可能会成为限制毫米波解决方案集成度的瓶颈。因此,基于毫米波技术的方案有可能会在低成本设备上更有优势。 

生理信号检测芯片技术和市场前瞻

如前所述,以血压和血糖为代表的的下一代生理信号检测将会成为可穿戴设备的重要特性,而相关的芯片市场也变得更有吸引力。 

测量血压将成为PPG技术和芯片的重要卖点。由于PPG技术已经日益成熟,我们认为血压检测将会快速普及到可穿戴设备中,而相关芯片和模组供应商将会在集成度、成本、功耗、灵敏度等指标上进一步提升,以满足不同可穿戴设备(例如智能耳机)的需求。未来使用PPG技术的心律、血氧和血压检测将会成为可穿戴设备的标配。 

基于频谱技术的血糖检测则有更高的针对性。对于糖尿病患者来说,监控血糖过程中对于精度的要求较高,加上该技术的门槛也较高,因此我们认为最有可能的市场发展方向是走专用的高附加值市场,而不是低价竞争策略。在这样的市场竞争格局下,我们认为将会有一两家拥有独家技术的芯片厂商占领大部分市场利润。 

对于中国芯片行业来说,PPG是一个不错的进入方向,该技术中各环节中国半导体行业都有不错的技术储备,可望在未来几年内推出产品并成为有力的竞争者。对于频谱技术,则更需要在光模组、芯片和集成技术等多方面努力,希望在未来也能进入该市场。 


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