使用可穿戴設(shè)備（如智能手表）來(lái)檢測(cè)和健康息息相關(guān)的生理信號(hào)正在成為可穿戴設(shè)備的重要賣點(diǎn)。在之前，主流的智能手表（如蘋果的Apple Watch）系列已經(jīng)支持檢測(cè)心臟相關(guān)的ECG信號(hào)和血氧信號(hào)，而在新一代可穿戴設(shè)備中，下一代無(wú)創(chuàng)生理信號(hào)檢測(cè)正在快速覆蓋對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)更關(guān)鍵的信號(hào)，例如血壓和血糖。

例如，今年剛發(fā)布的三星Galaxy Watch 3中，除了傳統(tǒng)的ECG信號(hào)之外，還支持用無(wú)創(chuàng)的方式去測(cè)量血壓。

此外，根據(jù)外媒的報(bào)道，蘋果的下一代Watch有很大可能會(huì)加入無(wú)創(chuàng)檢測(cè)血糖的功能，從而為糖尿病患者帶來(lái)全新的健康管理體驗(yàn)。

我們認(rèn)為，可穿戴設(shè)備使用無(wú)創(chuàng)的方式去監(jiān)測(cè)血糖、血壓等重要生理信號(hào)將會(huì)大大拓寬可穿戴設(shè)備的用戶人群，同時(shí)也將會(huì)給提供檢測(cè)能力的相關(guān)芯片提供商帶來(lái)更大的市場(chǎng)。

于此相呼應(yīng)的是，英國(guó)光學(xué)芯片獨(dú)角獸公司Rockley在其最近發(fā)布的信息披露中顯示，可穿戴設(shè)備正在成為其主要的目標(biāo)市場(chǎng)。Rockley在不久前使用SPAC的方式在紐約證券交易所上市，市值達(dá)12億美元，其主要的市場(chǎng)除了傳統(tǒng)的光通信市場(chǎng)外，還包括可穿戴設(shè)備。其針對(duì)可穿戴市場(chǎng)的光學(xué)芯片模組的主要特性是可以單模組實(shí)現(xiàn)多模態(tài)檢測(cè)，即實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量多個(gè)生理信號(hào)。

同時(shí)，在Rockley披露的信息中心，預(yù)計(jì)在2023年最大的移動(dòng)端客戶目前已經(jīng)和Rockley簽訂了超過7000萬(wàn)美元的訂單，該客戶被普遍認(rèn)為是蘋果；而第二大客戶是一家中國(guó)主流手機(jī)廠商。因此，我們認(rèn)為用于可穿戴設(shè)備生理信號(hào)檢測(cè)的芯片在全球范圍內(nèi)的市場(chǎng)容量將在近期快速提升。

01、基于現(xiàn)有技術(shù)做漸進(jìn)式改良實(shí)現(xiàn)的血壓檢測(cè)

目前，已經(jīng)在智能手表上普及的心律和血氧檢測(cè)都是基于PPG（Photoplethysmography，光體積變化描記圖法）來(lái)實(shí)現(xiàn)。PPG檢測(cè)的原理是，LED發(fā)射不同頻段的光（例如紅外線和綠光頻段），光透過皮膚進(jìn)入血管并且回波反射回光檢測(cè)器（photon detector，PD）端，根據(jù)人體血管內(nèi)的血流特性，該回波也會(huì)有不同的性質(zhì)。因此，根據(jù)不同頻段回波的特性，可以讀出各種生理信號(hào)。

PPG最直接相關(guān)的信號(hào)是心律和血氧信號(hào)，其中心律信號(hào)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(huì)有所不同，因此讀出的PPG回波信號(hào)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(hào)則是根據(jù)不同的頻段光對(duì)于血氧含量有不同的回波信號(hào)特性，并且根據(jù)分析公式來(lái)讀出。

因此，PPG用于心律和血氧的讀出可以說(shuō)已經(jīng)經(jīng)過了長(zhǎng)期的技術(shù)驗(yàn)證，相關(guān)技術(shù)在可穿戴設(shè)備出現(xiàn)前就已經(jīng)進(jìn)入了醫(yī)療設(shè)備中，而進(jìn)入可穿戴設(shè)備主要是進(jìn)行了PPG的小型化和低功耗優(yōu)化。

使用相同的PPG技術(shù)也可以讀出血壓。相對(duì)而言，PPG測(cè)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(shù)據(jù)分析去建模，而這也是之前大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的概念沒有深入人心之前，PPG測(cè)量血壓主要在學(xué)術(shù)界而遲遲難以商用化的原因。而隨著越來(lái)越多的人接受大數(shù)據(jù)的概念，基于PPG加機(jī)器學(xué)習(xí)建模來(lái)讀出血壓正在得到認(rèn)可。

三星基于PPG來(lái)實(shí)現(xiàn)血壓監(jiān)控的可穿戴設(shè)備已經(jīng)獲得韓國(guó)醫(yī)療系統(tǒng)的認(rèn)證，目前正在申請(qǐng)F(tuán)DA認(rèn)證，一旦獲得FDA認(rèn)證則三星的Galaxy Watch系列的持續(xù)血壓檢測(cè)功能將會(huì)正式在美國(guó)推出。目前，PPG來(lái)測(cè)量血壓的精確度仍然比傳統(tǒng)血壓測(cè)量方法要差一些，但是隨著數(shù)據(jù)的積累，我們認(rèn)為未來(lái)會(huì)推出越來(lái)越精確的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，從而最終讓基于PPG的可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)高精度持續(xù)血壓檢測(cè)。

在芯片方面，我們認(rèn)為PPG系列芯片的一個(gè)重要趨勢(shì)就是集成度提高，例如將LED和PD以及用于后續(xù)信號(hào)處理的模擬前端（AFE）都集成到同一芯片上，從而實(shí)現(xiàn)更小的體積和更低的成本。

尤其是隨著耳機(jī)類可穿戴設(shè)備的持續(xù)升溫，已經(jīng)有不少?gòu)S商在研究將PPG集成到智能耳機(jī)中（例如三星在ISSCC 2021中發(fā)表的相關(guān)芯片），從而進(jìn)一步拓寬PPG測(cè)量生理信號(hào)的市場(chǎng)；而集成進(jìn)入耳機(jī)的一個(gè)重要需求就是模組體積要足夠小，因此更高的集成度將會(huì)是PPG領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

另一個(gè)方向就是如何進(jìn)一步降低功耗，因?yàn)樯硇盘?hào)的檢測(cè)未來(lái)的目標(biāo)通常是持續(xù)監(jiān)測(cè)，這也就意味著每次測(cè)量必須能量消耗足夠小，才能保證這樣的生理信號(hào)檢測(cè)不會(huì)成為電池使用時(shí)間的瓶頸，而這也就意味著模擬前端電路的進(jìn)一步優(yōu)化。

02、基于全新技術(shù)的無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)

對(duì)于糖尿病患者來(lái)說(shuō)，血糖監(jiān)測(cè)是健康管理的重要環(huán)節(jié)，但是傳統(tǒng)的有創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)對(duì)于患者來(lái)說(shuō)較為麻煩，而且難以做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此如果能普及無(wú)創(chuàng)實(shí)時(shí)血糖監(jiān)測(cè)，則這樣的技術(shù)將會(huì)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(shù)做血壓監(jiān)測(cè)不同，可穿戴設(shè)備中的無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)目前最有希望的方式是基于紅外頻段的頻譜儀（IR Spectroscopy）技術(shù)。該技術(shù)掃描紅外頻段的光波，根據(jù)光波在不同頻段的吸收來(lái)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(gè)共振峰，因此通過在相關(guān)頻段內(nèi)讀出的頻譜特性就可以估計(jì)血糖。

從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，紅外頻譜儀需要掃描的頻點(diǎn)會(huì)多于PPG，此外其讀出的信號(hào)是頻域信號(hào)，而非PPG的時(shí)域回波信號(hào)，因此技術(shù)上要比PPG挑戰(zhàn)度更大。尤其是需要把紅外頻譜儀做到可穿戴設(shè)備中時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)小型化的光源和能在頻段上都有較好靈敏度的PD，這一點(diǎn)對(duì)于光模組的設(shè)計(jì)具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)，因此相對(duì)于PPG來(lái)說(shuō)進(jìn)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(chǎn)品的重要原因。

除了使用紅外頻譜儀技術(shù)之外，另一個(gè)可能的技術(shù)方向是使用毫米波技術(shù)。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(lái)實(shí)現(xiàn)類似的功能。在毫米波頻段的主要優(yōu)勢(shì)是成本可以做到更低，但是其測(cè)量精度相對(duì)于紅外頻段來(lái)說(shuō)要低一些，此外毫米波波長(zhǎng)的特性決定了其天線的尺寸可能會(huì)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(shù)的方案有可能會(huì)在低成本設(shè)備上更有優(yōu)勢(shì)。

03、生理信號(hào)檢測(cè)芯片技術(shù)和市場(chǎng)前瞻

如前所述，以血壓和血糖為代表的的下一代生理信號(hào)檢測(cè)將會(huì)成為可穿戴設(shè)備的重要特性，而相關(guān)的芯片市場(chǎng)也變得更有吸引力。

測(cè)量血壓將成為PPG技術(shù)和芯片的重要賣點(diǎn)。由于PPG技術(shù)已經(jīng)日益成熟，我們認(rèn)為血壓檢測(cè)將會(huì)快速普及到可穿戴設(shè)備中，而相關(guān)芯片和模組供應(yīng)商將會(huì)在集成度、成本、功耗、靈敏度等指標(biāo)上進(jìn)一步提升，以滿足不同可穿戴設(shè)備（例如智能耳機(jī)）的需求。未來(lái)使用PPG技術(shù)的心律、血氧和血壓檢測(cè)將會(huì)成為可穿戴設(shè)備的標(biāo)配。

基于頻譜技術(shù)的血糖檢測(cè)則有更高的針對(duì)性。對(duì)于糖尿病患者來(lái)說(shuō)，監(jiān)控血糖過程中對(duì)于精度的要求較高，加上該技術(shù)的門檻也較高，因此我們認(rèn)為最有可能的市場(chǎng)發(fā)展方向是走專用的高附加值市場(chǎng)，而不是低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)策略。在這樣的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局下，我們認(rèn)為將會(huì)有一兩家擁有獨(dú)家技術(shù)的芯片廠商占領(lǐng)大部分市場(chǎng)利潤(rùn)。

對(duì)于中國(guó)芯片行業(yè)來(lái)說(shuō)，PPG是一個(gè)不錯(cuò)的進(jìn)入方向，該技術(shù)中各環(huán)節(jié)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)都有不錯(cuò)的技術(shù)儲(chǔ)備，可望在未來(lái)幾年內(nèi)推出產(chǎn)品并成為有力的競(jìng)爭(zhēng)者。對(duì)于頻譜技術(shù)，則更需要在光模組、芯片和集成技術(shù)等多方面努力，希望在未來(lái)也能進(jìn)入該市場(chǎng)。

本文經(jīng)半導(dǎo)體行業(yè)觀察授權(quán)轉(zhuǎn)載。