转载：本文来自微信公众号“半导体行业观察”（ID:icbank），作者：李飞，转载经授权发布。
使用可穿戴设备（如智能手表）来检测和健康息息相关嘅生理信号正喺度成为可穿戴设备嘅重要卖点。喺之前，主流嘅智能手表（如苹果嘅Apple Watch）系列已经支持检测心脏相关嘅ECG信号和血氧信号，而喺新一代可穿戴设备度，下一代无创生理信号检测正喺度快速覆盖对于消费者嚟讲更关键嘅信号，例如血压和血糖。
例如，今年刚发布嘅三星Galaxy Watch 3度，除咗传统嘅ECG信号之外，仲要支持用无创嘅方式去测量血压。
此外，根据外媒嘅报道，苹果嘅下一代Watch有好大可能会加入无创检测血糖嘅功能，从而为糖尿病患者带来全新嘅健康管理体验。
我哋认为，可穿戴设备使用无创嘅方式去监测血糖、血压等重要生理信号将会大大拓宽可穿戴设备嘅用户人群，同时也将会畀提供检测能力嘅相关芯片提供商带来更大嘅市场。于此相呼应嘅系，英国光学芯片独角兽公司Rockley喺其最近发布嘅信息披露中显示，可穿戴设备正喺度成为其主要嘅目标市场。
Rockley喺唔耐前使用SPAC嘅方式喺纽约证券交易所上市，市值达12亿美元，其主要嘅市场除咗传统嘅光通信市场外，仲要包括可穿戴设备。其针对可穿戴市场嘅光学芯片模组嘅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，喺Rockley披露嘅信息中心，预计喺2023年最大嘅移动端客户目前已经和Rockley签订超过7000万美元嘅订单，该客户被普遍认为是苹果；而第二大客户系一家中国主流手机厂商。因此，我哋认为用于可穿戴设备生理信号检测嘅芯片喺全球范围内嘅市场容量将喺近期快速提升。
基于现有技术做渐进式改良实现嘅血压检测
目前，已经喺智能手表上普及嘅心律和血氧检测都系基于PPG（Photoplethysmography，光体积变化描记图法）来实现。PPG检测嘅原理是，LED发射唔同频段嘅光（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，根据人体血管内嘅血流特性，该回波也会有唔同嘅性质。因此，根据唔同频段回波嘅特性，可以读出各种生理信号。
PPG最直接相关嘅信号是心律和血氧信号，其中心律信号读出最为自然，由于血管中喺心跳嘅唔同阶段血流嘅流速和体积会有所唔同，因此读出嘅PPG回波信号都系随住心律而周期性变化，因此只要读出PPG嘅回波周期就能得到心律。血氧信号则是根据唔同嘅频段光对于血氧含量有唔同嘅回波信号特性，并且根据分析公式来读出。因此，PPG用于心律和血氧嘅读出可以说已经经过长期嘅技术验证，相关技术喺可穿戴设备出现前就已经进入医疗设备度，而进入可穿戴设备主要是进行PPG嘅小型化和低功耗优化。
使用相同嘅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，而哩个都系之前大数据和机器学习嘅概念没有深入人心之前，PPG测量血压主要喺学术界而迟迟难以商用化嘅原因。而随住越来越多嘅人接受大数据嘅概念，基于PPG加机器学习建模来读出血压正喺度得到认可。
三星基于PPG来实现血压监控嘅可穿戴设备已经获得韩国医疗系统嘅认证，目前正喺度申请FDA认证，一旦获得FDA认证则三星嘅Galaxy Watch系列嘅持续血压检测功能将会正式喺美国推出。目前，PPG来测量血压嘅精确度仍然比传统血压测量方法要差一啲，但是随住数据嘅积累，我哋认为未来会推出越来越精确嘅机器学习模型，从而最终让基于PPG嘅可穿戴设备实现高精度持续血压检测。
喺芯片方面，我哋认为PPG系列芯片嘅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嘅模拟前端（AFE）都集成到同一芯片上，从而实现更小嘅体积和更低嘅成本。尤其系随住耳机类可穿戴设备嘅持续升温，已经有唔少厂商喺研究将PPG集成到智能耳机中（例如三星喺ISSCC 2021中发表嘅相关芯片），从而进一步拓宽PPG测量生理信号嘅市场；而集成进入耳机嘅一个重要需求就是模组体积要足够小，因此更高嘅集成度将会是PPG领域嘅重要发展方向。另一个方向就系点样进一步降低功耗，因为生理信号嘅检测未来嘅目标通常是持续监测，呢也就意味住每次测量必须能量消耗足够小，先能保证咁样嘅生理信号检测唔会成为电池使用时间嘅瓶颈，而这也就意味住模拟前端电路嘅进一步优化。
基于全新技术嘅无创血糖检测
对于糖尿病患者嚟讲，血糖监测是健康管理嘅重要环节，但是传统嘅有创血糖监测对于患者嚟讲较为麻烦，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，则咁样嘅技术将会成为糖尿病患者健康管理嘅革命性突破。
同基于成熟PPG技术做血压监测唔同，可穿戴设备中嘅无创血糖检测目前最有希望嘅方式是基于红外频段嘅频谱仪（IR Spectroscopy）技术。该技术扫描红外频段嘅光波，根据光波喺唔同频段嘅吸收来判断血糖浓度。其原理是人体血糖嘅分子特性决定其通常有几个共振峰，因此通过喺相关频段内读出嘅频谱特性就可以估计血糖。
从技术上嚟讲，红外频谱仪需要扫描嘅频点会多于PPG，此外其读出嘅信号是频域信号，而非PPG嘅时域回波信号，因此技术上要比PPG挑战度更大。尤其系需要将红外频谱仪做到可穿戴设备中时，需要实现小型化嘅光源和能喺频段上都有较好灵敏度嘅PD，呢一点对于光模组嘅设计具有相当嘅挑战，因此相对于PPG嚟讲进入门槛更高，能做好嘅公司也较少。哩个都系Rockley喺投资信息披露度，将其频谱仪作为拳头产品嘅重要原因。
除咗使用红外频谱仪技术之外，另一个可能嘅技术方向是使用毫米波技术。同红外频段类似，喺毫米波频段血糖也存喺一啲吸收峰，因此可以通过将频谱仪电路和芯片搬到毫米波频段来实现类似嘅功能。喺毫米波频段嘅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嚟讲要低一啲，此外毫米波波长嘅特性决定其天线嘅尺寸可能会成为限制毫米波解决方案集成度嘅瓶颈。因此，基于毫米波技术嘅方案有可能会喺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嘅嘅下一代生理信号检测将会成为可穿戴设备嘅重要特性，而相关嘅芯片市场也变得更有吸引力。
测量血压将成为PPG技术和芯片嘅重要卖点。由于PPG技术已经日益成熟，我哋认为血压检测将会快速普及到可穿戴设备度，而相关芯片和模组供应商将会喺集成度、成本、功耗、灵敏度等指标上进一步提升，以满足唔同可穿戴设备（例如智能耳机）嘅需求。未来使用PPG技术嘅心律、血氧和血压检测将会成为可穿戴设备嘅标配。
基于频谱技术嘅血糖检测则有更高嘅针对性。对于糖尿病患者嚟讲，监控血糖过程中对于精度嘅要求较高，加上该技术嘅门槛也较高，因此我哋认为最有可能嘅市场发展方向是走专用嘅高附加值市场，而唔系低价竞争策略。喺咁样嘅市场竞争格局下，我哋认为将会有一两家拥有独家技术嘅芯片厂商占领大部分市场利润。
对于中国芯片行业嚟讲，PPG系一个唔错嘅进入方向，该技术中各环节中国半导体行业都有唔错嘅技术储备，可望喺未来几年内推出产品并成为有力嘅竞争者。对于频谱技术，则更需要喺光模组、芯片和集成技术等多方面努力，希望喺未来都可以进入该市场。
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