2021年下半年，健康可穿戴設(shè)備迎來了功能上的重大進(jìn)展。在經(jīng)歷幾年功能上的平淡無奇之后，頭部企業(yè)正紛紛將血壓監(jiān)測(cè)功能引入到健康可穿戴設(shè)備上。除此以外，業(yè)界還在努力為可穿戴設(shè)備準(zhǔn)備更多的醫(yī)療健康功能，從而讓健康可穿戴設(shè)備距離嚴(yán)肅醫(yī)療用途更近了一步。
動(dòng)脈網(wǎng)對(duì)可穿戴設(shè)備的技術(shù)進(jìn)展現(xiàn)狀和未來進(jìn)行了梳理盤點(diǎn)。
從心率到ECG， 可穿戴設(shè)備醫(yī)療功能的巨大進(jìn)展
可穿戴設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模在近年來一直呈現(xiàn)快速增長的趨勢(shì)。根據(jù)IDC《中國可穿戴設(shè)備市場(chǎng)季度跟蹤報(bào)告，2021年第二季度》的數(shù)據(jù)，2021年第二季度全球可穿戴設(shè)備出貨量達(dá)到1.142億件，同比增長32.3%。其中，我國可穿戴設(shè)備的市場(chǎng)出貨量為3614萬件，同比增長33.7%。
在此之前，全球可穿戴設(shè)備的出貨量在2021年第一季度剛剛創(chuàng)下新高——該季度出貨量達(dá)到1.046億件，比去年同期的7780萬件增長34.4%。這也是全球可穿戴設(shè)備出貨量首次在第一季度突破1億件。與第一季度相比，第二季度的出貨量仍然維持了強(qiáng)勁增長的走勢(shì)。
在此之前，曾有分析認(rèn)為可穿戴設(shè)備的需求火爆期已過，認(rèn)為2020-2025年間全球可穿戴設(shè)備出貨量復(fù)合增長率為25%，相比2016-2020年間44.5%的復(fù)合增長率有明顯下降。不過，從前兩個(gè)季度的數(shù)據(jù)來看，情況顯然要更樂觀。
在三類可穿戴設(shè)備中，耳戴式增長率最高，同比增長58.2%。其原因很簡(jiǎn)單，智能手機(jī)紛紛取消傳統(tǒng)的音頻接口，加上無線耳機(jī)價(jià)格的下降推動(dòng)了該市場(chǎng)的顯著增長。不過，這一類設(shè)備尚沒有與醫(yī)療健康結(jié)合。
以往與健康功能結(jié)合較為緊密的手表和手環(huán)在增長上則出現(xiàn)了明顯的區(qū)分。智能手表仍然維持了較高的增長，出貨量在2021年第二季度達(dá)到1996萬件，同比增長30.2%。與此相比，智能手環(huán)出貨量則只有641萬件，同比下降5%。
相對(duì)而言，智能手環(huán)盡管價(jià)格更加便宜，但可實(shí)現(xiàn)的功能往往較少，一般僅能實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單的健康監(jiān)測(cè)功能，比如睡眠狀況監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)鍛煉情況等，僅有極個(gè)別產(chǎn)品可以提供更為進(jìn)階的健康監(jiān)測(cè)功能，如亞馬遜的Halo智能手環(huán)可以支持體脂測(cè)量功能。
與智能手環(huán)相比，智能手表的功能就要更多了。原因很簡(jiǎn)單，智能手表的內(nèi)部空間更大，能夠?qū)?duì)各種醫(yī)療健康功能至關(guān)重要的傳感器引入其中；此外，智能手表的定位和售價(jià)也明顯更高，從成本上能夠支撐價(jià)格昂貴的傳感器。
可穿戴設(shè)備市場(chǎng)的變化也是消費(fèi)升級(jí)的必然結(jié)果。隨著更加豐富的傳感技術(shù)和功能搭載，可穿戴設(shè)備在健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用上將進(jìn)一步得到推動(dòng)。在手表傳感技術(shù)上是否能夠取得突破，并成功產(chǎn)品化不僅將決定可穿戴設(shè)備行業(yè)市場(chǎng)未來的走勢(shì)，改變現(xiàn)有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局，也將會(huì)對(duì)醫(yī)療健康行業(yè)帶來重大影響。
基于傳感器技術(shù)的進(jìn)步，可穿戴設(shè)備的健康功能經(jīng)歷了幾次較大的進(jìn)步。以智能手表為例，早期的智能手表可以提供的健康功能并不多，比如，蘋果的第一代Apple Watch就提供了心率監(jiān)測(cè)功能。不過，大多數(shù)用戶對(duì)此功能僅是好奇體驗(yàn)了幾次，然后就被束之高閣了。
由于功能較為單一同質(zhì)化，大多數(shù)用戶當(dāng)時(shí)在智能手環(huán)和智能手表之間選擇了前者。智能手表對(duì)多數(shù)人來說更像是個(gè)昂貴的玩具。這使得可穿戴設(shè)備成為主要面向年輕用戶群體的設(shè)備。然而他們大多身體健康，無需時(shí)刻對(duì)體征數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。
與此同時(shí)，由于傳感器技術(shù)還不足夠成熟，同時(shí)醫(yī)療設(shè)備認(rèn)證需要漫長的臨床試驗(yàn)時(shí)間，更需要接受嚴(yán)格的監(jiān)管?？纱┐髟O(shè)備當(dāng)時(shí)并不能為真正需要時(shí)刻體征監(jiān)控的病人所用。因此，可穿戴設(shè)備在初期的火爆之后迅速沉寂就成為了必然。
蘋果在2018年發(fā)布的Apple Watch 4上帶來了福音——率先導(dǎo)入了ECG功能。結(jié)合之前已有的心率監(jiān)測(cè)功能，Apple Watch 4可在后臺(tái)檢測(cè)心臟節(jié)律，當(dāng)發(fā)現(xiàn)房顫時(shí)及時(shí)提醒用戶。此外，該產(chǎn)品還能實(shí)現(xiàn)跌落監(jiān)測(cè)，如果設(shè)備監(jiān)測(cè)到用戶摔倒并保持一分鐘沒有移動(dòng)，則會(huì)自動(dòng)打開緊急呼救功能。
蘋果Apple Watch 4的單導(dǎo)聯(lián)ECG通過了FDA和NMPA的審批（圖片來自蘋果官網(wǎng)）
更為重要的是，蘋果的單導(dǎo)聯(lián)ECG和房顫提醒兩個(gè)功能還以“突破性創(chuàng)新醫(yī)療器械”的形式獲得了FDA的審批。這使其成為了全球第一款直接面向消費(fèi)者的通過手腕檢測(cè)心電圖的非處方產(chǎn)品。通過醫(yī)療器械審批意味著這一產(chǎn)品的精度已經(jīng)達(dá)到了醫(yī)療器械的級(jí)別，足以滿足醫(yī)療用途。
值得一提的是，蘋果這一功能正式獲得FDA審批仍然延后到了2020年。同時(shí)，在全球范圍，由于各地區(qū)的審批政策不同，這一功能也并沒有在全球同步開通。比如，一直到2021年，蘋果ECG App和房顫提醒功能才通過了NMPA審批，可以在我國使用。一方面，這說明了蘋果這一功能在當(dāng)年沒有可對(duì)標(biāo)的醫(yī)療器械，相當(dāng)超前；另一方面，嚴(yán)肅醫(yī)療器械審批所需的漫長時(shí)間由此也可見一斑。
主流可穿戴設(shè)備的心率監(jiān)測(cè)均采用PPG（光體積變化描記技術(shù)，Photoplethysmographic）原理，是一種借助光電手段在活體組織中檢測(cè)血液容積變化的無創(chuàng)檢測(cè)方法。
當(dāng)一定波長的光線照射到指端皮膚表面，每次心跳時(shí)血管的收縮和擴(kuò)張都會(huì)影響光的透射 (透射PPG中通過指尖的光線) 或是光的反射 (反射PPG中手腕表面附近的光線)。光線透過皮膚組織再反射到光敏傳感器時(shí)，光照會(huì)有一定的衰減。
在測(cè)量部位沒有大幅運(yùn)動(dòng)的前提下，人體肌肉、骨骼、靜脈和其他連接組織對(duì)光的吸收是基本不變的。由于動(dòng)脈里有血液的脈動(dòng)，其對(duì)光的吸收也會(huì)有所變化。通過光電轉(zhuǎn)化，并利用算法，就能準(zhǔn)確地計(jì)算出心率。
ECG（心電描記技術(shù)，Electrocardiography）則是一種經(jīng)胸腔以時(shí)間為單位記錄心臟的電生理活動(dòng)，利用在人體皮膚表面貼上的電極，可以偵測(cè)到心臟的電位傳動(dòng)。測(cè)量ECG信號(hào)常常要在身體多個(gè)部位連接傳感器電極。目前，醫(yī)療器械最多可以實(shí)現(xiàn)12聯(lián)導(dǎo)ECG。以Apple Watch 4為代表的可穿戴設(shè)備由于只能裝載單個(gè)傳感器電極，因此，也只能實(shí)現(xiàn)單導(dǎo)聯(lián)ECG。
ECG功能算得上是可穿戴設(shè)備在醫(yī)療健康功能上的第一個(gè)“殺手級(jí)”功能，讓真正需要持續(xù)體征監(jiān)控的帶病人群也能從技術(shù)的發(fā)展中受益，從而打開了慢病人群這一巨大的市場(chǎng)。很快，其他可穿戴設(shè)備廠商也紛紛跟進(jìn)，在自家的設(shè)備上加入ECG功能并通過醫(yī)療器械認(rèn)證，從而使ECG成為了可穿戴設(shè)備標(biāo)配的醫(yī)療健康功能。
數(shù)年磨一劍，血氧監(jiān)測(cè)漸成標(biāo)配
血氧監(jiān)測(cè)是又一個(gè)可穿戴設(shè)備在健康功能上的重要功能。2020年，蘋果在Apple Watch 6上帶來了血氧監(jiān)測(cè)功能。隨后，帶有測(cè)血氧功能的智能手表扎堆發(fā)布——主流品牌的旗艦級(jí)智能手表幾乎都包含這一功能。
蘋果Apple Watch 6首次開啟了血氧監(jiān)測(cè)功能（圖片來自蘋果官網(wǎng)）
各大品牌并非因?yàn)榭吹教O果提供該功能而臨時(shí)起意，而是早有準(zhǔn)備。畢竟，產(chǎn)品研發(fā)是需要時(shí)間的。事實(shí)上，即使蘋果自己，也早在第一代Apple Watch上就已經(jīng)內(nèi)置了具有檢測(cè)脈沖血氧功能的光學(xué)傳感器，技術(shù)上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)血氧監(jiān)測(cè)。不過，基于相應(yīng)的醫(yī)療器械認(rèn)證，以及對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性的考慮，一直到如今才開放這一功能。
血氧監(jiān)測(cè)主要是通過測(cè)量人體動(dòng)脈血氧飽和度來判斷是否健康。血氧飽和度具體是指血液中與氧氣結(jié)合的血紅蛋白含量占比，即血液中血氧的濃度。一般而言，若血氧飽和度在94%以下，就會(huì)被視為供氧不足。許多臨床疾病都會(huì)造成供氧不足的情況，直接影響細(xì)胞正常的新陳代謝，嚴(yán)重時(shí)更是會(huì)威脅生命，因此血氧檢測(cè)對(duì)于臨床醫(yī)學(xué)而言十分重要。
比如，在新冠疫情中，血氧飽和度已經(jīng)成為了新冠肺炎的輔助檢測(cè)手段，通過可穿戴設(shè)備持續(xù)監(jiān)測(cè)血氧變化，結(jié)合心率數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)潛在的呼吸暫停問題。
無創(chuàng)血氧監(jiān)測(cè)的原理是利用血液中氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧合血紅蛋白（Hb）對(duì)紅光和紅外光的吸收率不同，通過光學(xué)傳感器向皮膚照射紅光和紅外光，然后得到經(jīng)皮膚下血管反射后的紅光和紅外光，最后通過算法計(jì)算出血氧濃度及血氧飽和度。目前，這一技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)精確可靠，早已在醫(yī)療機(jī)構(gòu)普及。
需要指出的是，醫(yī)療機(jī)構(gòu)的血氧監(jiān)測(cè)功能主要通過采集指尖位置獲得信號(hào)。相對(duì)而言，常見的可穿戴設(shè)備主要采取腕戴式的方式。手腕并不像手指那樣“透明”，因此，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性上更有挑戰(zhàn)性。這也是為何遲至數(shù)年后蘋果才正式啟用血氧監(jiān)測(cè)功能的原因之一。
不難發(fā)現(xiàn)，血氧監(jiān)測(cè)功能主要依賴光敏傳感器，與心率監(jiān)測(cè)有異曲同工之妙。不過，兩者需要不同波長的光線——心率監(jiān)測(cè)通常使用綠光，血氧監(jiān)測(cè)則需要紅光。因此，理論上而言，要同時(shí)支持心率監(jiān)測(cè)和血氧監(jiān)測(cè)，就需要至少兩顆光學(xué)傳感器。不過，隨著技術(shù)的進(jìn)步，集兩個(gè)功能于一身的傳感器也已經(jīng)問世，從而極大地促進(jìn)了血氧監(jiān)測(cè)功能在可穿戴設(shè)備上的普及。
盡管如此，受限于技術(shù)的發(fā)展水平，可穿戴設(shè)備的血氧監(jiān)測(cè)功能距離醫(yī)療器械的精度仍然有一定的差距。行業(yè)正努力提升血氧監(jiān)測(cè)的精度，主要有幾種方式。其一是提升光學(xué)傳感器的精度；其二是增加更多的傳感器；其三則是在耳戴式可穿戴設(shè)備上做文章——相比手腕，人耳的透光性更好，或許是一個(gè)提升精度的可能選擇。
血壓監(jiān)測(cè)拿證倒計(jì)時(shí)—— 國產(chǎn)健康可穿戴設(shè)備的崛起
從ECG到血氧階段，蘋果在可穿戴設(shè)備健康功能的探索上都引領(lǐng)了業(yè)界。隨著時(shí)間的推移，其他可穿戴廠商正在迎頭趕上——血壓監(jiān)測(cè)功能便是最明顯的例子。
2021年以來，三星、華米、華為等可穿戴設(shè)備頭部品牌陸續(xù)將血壓監(jiān)測(cè)功能引入到可穿戴設(shè)備中。2021年5月的華為全場(chǎng)景發(fā)布會(huì)上，華為宣布旗下首款支持血壓測(cè)量功能的智能手表已通過醫(yī)療器械注冊(cè)檢驗(yàn)，下一步將聯(lián)合專業(yè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)開啟注冊(cè)臨床試驗(yàn)，有望在下半年獲得NMPA審批后正式發(fā)布。
根據(jù)外媒的報(bào)道，華為一款名為Watch D的智能手表在歐洲監(jiān)管機(jī)構(gòu)的新上市清單中，也被描述為“醫(yī)學(xué)分析、心率監(jiān)測(cè)儀、動(dòng)脈血壓測(cè)量?jī)x、血壓計(jì)”等嚴(yán)肅的醫(yī)療健康設(shè)備。
2021年7月，華米發(fā)布了PumpBeats血壓監(jiān)測(cè)引擎和BioTracker 3.0 PPG傳感器。搭載這一組合的可穿戴設(shè)備可幫助用戶隨時(shí)隨地測(cè)量血壓，整個(gè)過程僅需按壓30秒。搭載這一技術(shù)的Amazfit躍我GTR Pro 3智能手表也在10月16日發(fā)布。這也是國內(nèi)最先使用光電傳感器實(shí)現(xiàn)腕上血壓測(cè)量的智能手表之一。
利用智能手表進(jìn)行血壓測(cè)量是一個(gè)世界性的難題，其難點(diǎn)主要在于測(cè)量的精度要求上。心率測(cè)量之所以在可穿戴設(shè)備上較易實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)槠渲恍枰O(jiān)測(cè)脈搏波跳動(dòng)頻率，對(duì)脈搏波本身的結(jié)構(gòu)信息、形態(tài)信息以及相關(guān)信息不是很關(guān)心，只要拿到相應(yīng)的頻率并在頻譜上分析出來，就可以算出心率。
利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)血壓監(jiān)測(cè)不僅需要監(jiān)測(cè)脈搏波頻率，還需要波形信息。但是，用光學(xué)傳感器測(cè)量脈搏波的時(shí)候會(huì)受到各種環(huán)境因素的影響，還有本身皮膚（目前，華米的這一功能就不支持黑色皮膚人群）、毛發(fā)、坐勢(shì)影響。所以，傳感器會(huì)對(duì)脈搏波的波形信息進(jìn)行降質(zhì)以剔除其他干擾，如果波形質(zhì)量降得太狠，測(cè)量可靠性就會(huì)變差。
除了算法，這種利用光學(xué)傳感器測(cè)量血壓的方式對(duì)于傳感器也有較高要求。華米的BioTracker采用六通道設(shè)計(jì)，其底層光學(xué)信號(hào)越好，抗干擾能力也越強(qiáng)，加上最新的人工智能血壓算法，搭配后可提供較為精準(zhǔn)可靠的測(cè)量結(jié)果。
目前，華米與北京大學(xué)第一醫(yī)院合作的臨床實(shí)驗(yàn)已完成第一階段實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)入組病人的血壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，華米血壓引擎的收縮壓平均絕對(duì)偏差低于5.14mmHg，舒張壓平均絕對(duì)偏差低于4.88mmHg，具有較高的可靠性。
該項(xiàng)功能還可以幫助實(shí)現(xiàn)隱匿性高血壓的篩查；同時(shí)，華米科技還將繼續(xù)推進(jìn)24小時(shí)連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)夜間睡眠監(jiān)測(cè)與被動(dòng)血壓監(jiān)測(cè)。
不過，目前該功能尚未獲得醫(yī)療器械認(rèn)證，并未對(duì)公眾開放。用戶需要加入華米與北京大學(xué)第一醫(yī)院的聯(lián)合研究項(xiàng)目，并簽署知情同意書后方可使用。同時(shí)，這一功能需要每隔28天結(jié)合血壓計(jì)醫(yī)療器械進(jìn)行校準(zhǔn)。預(yù)計(jì)11月，該手表的血壓測(cè)量功能將會(huì)上線。
三星也在8月發(fā)布了Galaxy Watch4，可以對(duì)身體成分（骨骼肌、基礎(chǔ)代謝率、體內(nèi)水分和體脂百分比）進(jìn)行分析，更提供了ECG功能、房顫檢測(cè)、血氧以及血壓監(jiān)測(cè)等高級(jí)健康功能。
Galaxy Watch4的一大亮點(diǎn)在于其新型的三合一傳感器，在單個(gè)芯片中集成了三大健康傳感器——光學(xué)心率傳感器、心電傳感器和用于血壓測(cè)量的生物電阻抗分析傳感器。
三星Galaxy Watch4可實(shí)現(xiàn)血壓監(jiān)測(cè)（圖片來自三星官網(wǎng)）
不過，由于僅在部分國家和地區(qū)獲得了醫(yī)療器械認(rèn)證，三星的血壓監(jiān)測(cè)功能并非在所有地區(qū)都可啟用。目前，這一功能在國內(nèi)還未開放。與此同時(shí)，與華米的情況類似，三星也要求用戶每隔四周使用獲得醫(yī)療器械認(rèn)證的傳統(tǒng)袖帶式血壓計(jì)校準(zhǔn)設(shè)備。
雖然血壓監(jiān)測(cè)目前還未能通過醫(yī)療器械認(rèn)證，且仍然需要傳統(tǒng)血壓計(jì)的校準(zhǔn)。但總體而言，這一健康功能具有巨大潛力。在接下來的一段時(shí)間內(nèi)，主要的可穿戴設(shè)備廠商都將陸續(xù)配備該功能。一旦技術(shù)成熟，加上大規(guī)模應(yīng)用使得成本的下降，無創(chuàng)無袖式血壓測(cè)量技術(shù)在未來的應(yīng)用前景將無比廣闊。
血糖？乳酸？酒精？可穿戴設(shè)備健康功能的未來想象空間
除了心率、ECG、血氧和血壓等健康功能，在不久的將來可穿戴設(shè)備還可能涉及哪些健康功能呢？生物無創(chuàng)傳感器的發(fā)展表明，連續(xù)無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)和乳酸監(jiān)測(cè)或許將成為未來的攻關(guān)方向。
尤其是無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)，具有巨大的市場(chǎng)潛力。根據(jù)國際糖尿病聯(lián)盟公布的數(shù)據(jù)，2019年我國糖尿病確診患者達(dá)到1.16億人；預(yù)計(jì)2030年，我國糖尿病人群將達(dá)到2億人。動(dòng)脈網(wǎng)·蛋殼研究院發(fā)布的《糖尿病管理數(shù)字化創(chuàng)新報(bào)告》顯示，糖尿病市場(chǎng)將于2025年達(dá)到1349億元。
糖尿病患者每日必備的數(shù)次血糖檢測(cè)需要通過采集血液獲取，用戶體驗(yàn)不佳且存在一定的感染風(fēng)險(xiǎn)。因此，業(yè)界一直在努力通過無創(chuàng)方式實(shí)現(xiàn)血糖監(jiān)測(cè)，從而可以極大地改善用戶體驗(yàn)。
通過對(duì)汗液、淚液、唾液和間質(zhì)液等體液進(jìn)行取樣，并對(duì)其所含的生物標(biāo)志物進(jìn)行化學(xué)分析是此前無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)的主要研究方向。不過，這種方式依賴于高度特異的生物受體。這些生物受體能夠在生理?xiàng)l件下識(shí)別復(fù)雜樣品中的目標(biāo)生物標(biāo)記物及相關(guān)濃度。
同時(shí)，這一技術(shù)的推廣也要求對(duì)體液的生化組成有深入的了解，如汗液或眼淚的生化組成及其與血液化學(xué)的關(guān)系。另外，為了實(shí)現(xiàn)在不會(huì)造成佩戴者不適的前提下無創(chuàng)采樣，生物傳感器還需要使用先進(jìn)的材料和設(shè)計(jì)，從而提供必要的靈活性和延展性。
對(duì)于腕戴式可穿戴設(shè)備而言，基于無創(chuàng)取樣汗液和間質(zhì)液監(jiān)測(cè)的經(jīng)皮透析無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)技術(shù)在設(shè)備集成、傳感精度、汗液/ISF生成和替代、信號(hào)傳導(dǎo)、數(shù)據(jù)傳輸和多路復(fù)用傳感等方面取得了顯著進(jìn)展；同時(shí)，相關(guān)的柔性材料和自恢復(fù)材料也有進(jìn)展。
然而，這一技術(shù)還需要延長使用時(shí)間，增強(qiáng)傳感器響應(yīng)與同期分析血液濃度的相關(guān)性，對(duì)生物體液有效可控的取樣，以及加強(qiáng)汗液取樣和傳輸，以提高檢測(cè)的可靠性和關(guān)聯(lián)來動(dòng)態(tài)監(jiān)控濃度的變化。
正因?yàn)殡y度如此之大，多年來業(yè)界在這一領(lǐng)域上的進(jìn)展并不明顯。早在2015年，谷歌的兄弟企業(yè)Verily就曾試圖開發(fā)一款可利用淚液實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)的隱形眼鏡。然而，幾經(jīng)努力后，這一產(chǎn)品并未被開發(fā)出來，從而被Verily放棄。
通過近紅外、中紅外光譜技術(shù)對(duì)血液中的血糖進(jìn)行監(jiān)測(cè)則是另外一種無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)技術(shù)。光譜技術(shù)主要利用物質(zhì)獨(dú)特的光譜特性——通過測(cè)量特定物質(zhì)與各種不同波長光波間的互動(dòng)關(guān)系，來測(cè)量該種物質(zhì)的濃度。物質(zhì)在和不同波長的光進(jìn)行反應(yīng)時(shí)會(huì)有不同的吸收率和反射率，也有可能吸收后發(fā)出不同波長的光。
通過研究特定物質(zhì)在不同波長下的反應(yīng)特性，就可以得到它在某一波段光波下的特異性光譜特征。通過發(fā)射特定波長的光波，再利用傳感器接收反射回來的光波，對(duì)比某一物質(zhì)的特異性光譜，就可以對(duì)物質(zhì)含量進(jìn)行估算。理論上而言，只要可以生成信號(hào)強(qiáng)度足夠且波長極為精準(zhǔn)的光線，就可以實(shí)現(xiàn)特定生化標(biāo)志物的檢測(cè)。
從本質(zhì)上而言，這種技術(shù)與可穿戴設(shè)備的心率監(jiān)測(cè)、血氧濃度及血壓監(jiān)測(cè)都屬于同一路線。難點(diǎn)在于血糖的光譜特征對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)上。這類設(shè)備往往需要克服功率效率、信號(hào)強(qiáng)度和光譜覆蓋范圍和分辨率的問題，挑戰(zhàn)極大。
以血糖為例，其在近紅外（600-2500nm波長）和中紅外（2500-16000nm波長）照射下的光譜特征最為明顯。然而，這兩個(gè)波段下的光線無法穿透人體大部分組織。因此，需要通過測(cè)量組織反射回來的光波光譜，而不是穿透組織的光波光譜來測(cè)量人體內(nèi)的血糖含量。
近紅外光線的組織穿透力強(qiáng)于中紅外光線，但血糖對(duì)近紅外的光譜特異性沒有中紅外光強(qiáng)。中紅外光被譽(yù)為光譜中的“指紋”，具有很強(qiáng)的特異性。然而，由于中紅外光對(duì)發(fā)射裝置要求高，且基本不能穿透人體組織。所以，利用光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)遲遲難以獲得進(jìn)展。
盡管蘋果在血壓監(jiān)測(cè)功能上稍顯落后，但在無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)上則有希望重新奪回領(lǐng)先地位——作為蘋果主要的傳感器供應(yīng)商之一，硅光子芯片和模塊供應(yīng)商羅克利光子（Rockley Photonics）在2021年7月宣布該公司即將研發(fā)出無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)傳感器。
羅克利光子的硅光傳感器（圖片來自羅克利光子官網(wǎng)）
羅克利光子的集成硅光傳感器使用光子集成電路（PIC）芯片在特異光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生大量離散的窄線寬激光。相比傳統(tǒng)的基于LED技術(shù)的傳感器，具有三大優(yōu)勢(shì)。
第一，光譜分辨率高。硅光子激光器具有極窄的線寬，可以將光譜分辨率顯著提高到與單色儀類似的水平。
第二，集成密度高。其高密度激光集成技術(shù)允許在一個(gè)緊湊的芯片上發(fā)射激光且覆蓋非常寬的光譜范圍。
第三，頻譜功率效率高。由于以精確定義的激光線發(fā)射光線，比LED發(fā)射光譜窄許多，其專有激光器發(fā)射的最佳水平光功率僅需數(shù)mW功率即可滿足需求。
由于羅克利光子的硅光子芯片可覆蓋廣泛的光譜，且理論上具有足夠的精度和信號(hào)強(qiáng)度。因此，理論上除了血糖，其在未來也可以實(shí)現(xiàn)更多生物標(biāo)志物的監(jiān)測(cè)，比如乳酸、水合作用和酒精濃度。
羅克利光子硅光子平臺(tái)的潛在應(yīng)用（圖片來自羅克利光子官網(wǎng)）
按照時(shí)間推斷，明年發(fā)布的新一代Apple Watch或許將搭載羅克利光子的硅光子平臺(tái)，從而將Apple Watch打造成為名副其實(shí)的“腕上診所”。
寫在最后
傳感技術(shù)是可穿戴設(shè)備發(fā)展的基礎(chǔ)。通過更準(zhǔn)確的傳感技術(shù)和計(jì)算得到的人體更加豐富的生命體征數(shù)據(jù)，除已經(jīng)搭載的心率、血氧、ECG 外，還有血壓、血糖等功能都將為智能手表在健康監(jiān)測(cè)和慢病管理上創(chuàng)造更多的空間，也將為應(yīng)用生態(tài)的豐富和發(fā)展打下數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
可穿戴設(shè)備已從體溫、心率開始逐漸擴(kuò)展至心電、血氧、血壓，并正在向更為豐富的血糖、乳酸等體征發(fā)展。再引入云計(jì)算和AI；這些海量的健康數(shù)據(jù)完全可以從量變引發(fā)質(zhì)變，從中探索出疾病預(yù)防及治療的新思路。
