苹果下一款医疗器械,无创血糖将成新风口

2021-10-21 17:37:27
原创
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2021年下半年,健康可穿戴设备迎来了功能上的重大进展。在经历几年功能上的平淡无奇之后,头部企业正纷纷将血压监测功能引入到健康可穿戴设备上。除此以外,业界还在努力为可穿戴设备准备更多的医疗健康功能,从而让健康可穿戴设备距离严肃医疗用途更近了一步。

动脉网对可穿戴设备的技术进展现状和未来进行了梳理盘点。

   从心率到ECG,

可穿戴设备医疗功能的巨大进展

可穿戴设备的市场规模在近年来一直呈现快速增长的趋势。根据IDC《中国可穿戴设备市场季度跟踪报告,2021年第二季度》的数据,2021年第二季度全球可穿戴设备出货量达到1.142亿件,同比增长32.3%。其中,我国可穿戴设备的市场出货量为3614万件,同比增长33.7%。

在此之前,全球可穿戴设备的出货量在2021年第一季度刚刚创下新高——该季度出货量达到1.046亿件,比去年同期的7780万件增长34.4%。这也是全球可穿戴设备出货量首次在第一季度突破1亿件。与第一季度相比,第二季度的出货量仍然维持了强劲增长的走势。

在此之前,曾有分析认为可穿戴设备的需求火爆期已过,认为2020-2025年间全球可穿戴设备出货量复合增长率为25%,相比2016-2020年间44.5%的复合增长率有明显下降。不过,从前两个季度的数据来看,情况显然要更乐观。

在三类可穿戴设备中,耳戴式增长率最高,同比增长58.2%。其原因很简单,智能手机纷纷取消传统的音频接口,加上无线耳机价格的下降推动了该市场的显著增长。不过,这一类设备尚没有与医疗健康结合。

以往与健康功能结合较为紧密的手表和手环在增长上则出现了明显的区分。智能手表仍然维持了较高的增长,出货量在2021年第二季度达到1996万件,同比增长30.2%。与此相比,智能手环出货量则只有641万件,同比下降5%。

相对而言,智能手环尽管价格更加便宜,但可实现的功能往往较少,一般仅能实现较为简单的健康监测功能,比如睡眠状况监测、运动锻炼情况等,仅有极个别产品可以提供更为进阶的健康监测功能,如亚马逊的Halo智能手环可以支持体脂测量功能。

与智能手环相比,智能手表的功能就要更多了。原因很简单,智能手表的内部空间更大,能够将对各种医疗健康功能至关重要的传感器引入其中;此外,智能手表的定位和售价也明显更高,从成本上能够支撑价格昂贵的传感器。

可穿戴设备市场的变化也是消费升级的必然结果。随着更加丰富的传感技术和功能搭载,可穿戴设备在健康监测应用上将进一步得到推动。在手表传感技术上是否能够取得突破,并成功产品化不仅将决定可穿戴设备行业市场未来的走势,改变现有市场竞争格局,也将会对医疗健康行业带来重大影响。

基于传感器技术的进步,可穿戴设备的健康功能经历了几次较大的进步。以智能手表为例,早期的智能手表可以提供的健康功能并不多,比如,苹果的第一代Apple Watch就提供了心率监测功能。不过,大多数用户对此功能仅是好奇体验了几次,然后就被束之高阁了。

由于功能较为单一同质化,大多数用户当时在智能手环和智能手表之间选择了前者。智能手表对多数人来说更像是个昂贵的玩具。这使得可穿戴设备成为主要面向年轻用户群体的设备。然而他们大多身体健康,无需时刻对体征数据进行监控。

与此同时,由于传感器技术还不足够成熟,同时医疗设备认证需要漫长的临床试验时间,更需要接受严格的监管。可穿戴设备当时并不能为真正需要时刻体征监控的病人所用。因此,可穿戴设备在初期的火爆之后迅速沉寂就成为了必然。

苹果在2018年发布的Apple Watch 4上带来了福音——率先导入了ECG功能。结合之前已有的心率监测功能,Apple Watch 4可在后台检测心脏节律,当发现房颤时及时提醒用户。此外,该产品还能实现跌落监测,如果设备监测到用户摔倒并保持一分钟没有移动,则会自动打开紧急呼救功能。

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苹果Apple Watch 4的单导联ECG通过了FDA和NMPA的审批(图片来自苹果官网)

更为重要的是,苹果的单导联ECG和房颤提醒两个功能还以“突破性创新医疗器械”的形式获得了FDA的审批。这使其成为了全球第一款直接面向消费者的通过手腕检测心电图的非处方产品。通过医疗器械审批意味着这一产品的精度已经达到了医疗器械的级别,足以满足医疗用途。

值得一提的是,苹果这一功能正式获得FDA审批仍然延后到了2020年。同时,在全球范围,由于各地区的审批政策不同,这一功能也并没有在全球同步开通。比如,一直到2021年,苹果ECG App和房颤提醒功能才通过了NMPA审批,可以在我国使用。一方面,这说明了苹果这一功能在当年没有可对标的医疗器械,相当超前;另一方面,严肃医疗器械审批所需的漫长时间由此也可见一斑。

主流可穿戴设备的心率监测均采用PPG(光体积变化描记技术,Photoplethysmographic)原理,是一种借助光电手段在活体组织中检测血液容积变化的无创检测方法。

当一定波长的光线照射到指端皮肤表面,每次心跳时血管的收缩和扩张都会影响光的透射 (透射PPG中通过指尖的光线) 或是光的反射 (反射PPG中手腕表面附近的光线)。光线透过皮肤组织再反射到光敏传感器时,光照会有一定的衰减。

在测量部位没有大幅运动的前提下,人体肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织对光的吸收是基本不变的。由于动脉里有血液的脉动,其对光的吸收也会有所变化。通过光电转化,并利用算法,就能准确地计算出心率。

ECG(心电描记技术,Electrocardiography)则是一种经胸腔以时间为单位记录心脏的电生理活动,利用在人体皮肤表面贴上的电极,可以侦测到心脏的电位传动。测量ECG信号常常要在身体多个部位连接传感器电极。目前,医疗器械最多可以实现12联导ECG。以Apple Watch 4为代表的可穿戴设备由于只能装载单个传感器电极,因此,也只能实现单导联ECG。

ECG功能算得上是可穿戴设备在医疗健康功能上的第一个“杀手级”功能,让真正需要持续体征监控的带病人群也能从技术的发展中受益,从而打开了慢病人群这一巨大的市场。很快,其他可穿戴设备厂商也纷纷跟进,在自家的设备上加入ECG功能并通过医疗器械认证,从而使ECG成为了可穿戴设备标配的医疗健康功能。

数年磨一剑,血氧监测渐成标配

血氧监测是又一个可穿戴设备在健康功能上的重要功能。2020年,苹果在Apple Watch 6上带来了血氧监测功能。随后,带有测血氧功能的智能手表扎堆发布——主流品牌的旗舰级智能手表几乎都包含这一功能。

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苹果Apple Watch 6首次开启了血氧监测功能(图片来自苹果官网)

各大品牌并非因为看到苹果提供该功能而临时起意,而是早有准备。毕竟,产品研发是需要时间的。事实上,即使苹果自己,也早在第一代Apple Watch上就已经内置了具有检测脉冲血氧功能的光学传感器,技术上已经可以实现血氧监测。不过,基于相应的医疗器械认证,以及对数据准确性和可靠性的考虑,一直到如今才开放这一功能。

血氧监测主要是通过测量人体动脉血氧饱和度来判断是否健康。血氧饱和度具体是指血液中与氧气结合的血红蛋白含量占比,即血液中血氧的浓度。一般而言,若血氧饱和度在94%以下,就会被视为供氧不足。许多临床疾病都会造成供氧不足的情况,直接影响细胞正常的新陈代谢,严重时更是会威胁生命,因此血氧检测对于临床医学而言十分重要。

比如,在新冠疫情中,血氧饱和度已经成为了新冠肺炎的辅助检测手段,通过可穿戴设备持续监测血氧变化,结合心率数据,可以发现潜在的呼吸暂停问题。

无创血氧监测的原理是利用血液中氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧合血红蛋白(Hb)对红光和红外光的吸收率不同,通过光学传感器向皮肤照射红光和红外光,然后得到经皮肤下血管反射后的红光和红外光,最后通过算法计算出血氧浓度及血氧饱和度。目前,这一技术已经相当精确可靠,早已在医疗机构普及。

需要指出的是,医疗机构的血氧监测功能主要通过采集指尖位置获得信号。相对而言,常见的可穿戴设备主要采取腕戴式的方式。手腕并不像手指那样“透明”,因此,数据监测的准确性和可靠性上更有挑战性。这也是为何迟至数年后苹果才正式启用血氧监测功能的原因之一。

不难发现,血氧监测功能主要依赖光敏传感器,与心率监测有异曲同工之妙。不过,两者需要不同波长的光线——心率监测通常使用绿光,血氧监测则需要红光。因此,理论上而言,要同时支持心率监测和血氧监测,就需要至少两颗光学传感器。不过,随着技术的进步,集两个功能于一身的传感器也已经问世,从而极大地促进了血氧监测功能在可穿戴设备上的普及。

尽管如此,受限于技术的发展水平,可穿戴设备的血氧监测功能距离医疗器械的精度仍然有一定的差距。行业正努力提升血氧监测的精度,主要有几种方式。其一是提升光学传感器的精度;其二是增加更多的传感器;其三则是在耳戴式可穿戴设备上做文章——相比手腕,人耳的透光性更好,或许是一个提升精度的可能选择。

血压监测拿证倒计时——

国产健康可穿戴设备的崛起

从ECG到血氧阶段,苹果在可穿戴设备健康功能的探索上都引领了业界。随着时间的推移,其他可穿戴厂商正在迎头赶上——血压监测功能便是最明显的例子。

2021年以来,三星、华米、华为等可穿戴设备头部品牌陆续将血压监测功能引入到可穿戴设备中。2021年5月的华为全场景发布会上,华为宣布旗下首款支持血压测量功能的智能手表已通过医疗器械注册检验,下一步将联合专业医疗机构开启注册临床试验,有望在下半年获得NMPA审批后正式发布。

根据外媒的报道,华为一款名为Watch D的智能手表在欧洲监管机构的新上市清单中,也被描述为“医学分析、心率监测仪、动脉血压测量仪、血压计”等严肃的医疗健康设备。

2021年7月,华米发布了PumpBeats血压监测引擎和BioTracker 3.0 PPG传感器。搭载这一组合的可穿戴设备可帮助用户随时随地测量血压,整个过程仅需按压30秒。搭载这一技术的Amazfit跃我GTR Pro 3智能手表也在10月16日发布。这也是国内最先使用光电传感器实现腕上血压测量的智能手表之一。

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具备血压监测功能的华米Amazfit跃我GTR Pro 3智能手表(图片来自官网)

利用智能手表进行血压测量是一个世界性的难题,其难点主要在于测量的精度要求上。心率测量之所以在可穿戴设备上较易实现,是因为其只需要监测脉搏波跳动频率,对脉搏波本身的结构信息、形态信息以及相关信息不是很关心,只要拿到相应的频率并在频谱上分析出来,就可以算出心率。

利用光电传感器实现血压监测不仅需要监测脉搏波频率,还需要波形信息。但是,用光学传感器测量脉搏波的时候会受到各种环境因素的影响,还有本身皮肤(目前,华米的这一功能就不支持黑色皮肤人群)、毛发、坐势影响。所以,传感器会对脉搏波的波形信息进行降质以剔除其他干扰,如果波形质量降得太狠,测量可靠性就会变差。

除了算法,这种利用光学传感器测量血压的方式对于传感器也有较高要求。华米的BioTracker采用六通道设计,其底层光学信号越好,抗干扰能力也越强,加上最新的人工智能血压算法,搭配后可提供较为精准可靠的测量结果。

目前,华米与北京大学第一医院合作的临床实验已完成第一阶段实验。通过对入组病人的血压监测数据的分析,华米血压引擎的收缩压平均绝对偏差低于5.14mmHg,舒张压平均绝对偏差低于4.88mmHg,具有较高的可靠性。

该项功能还可以帮助实现隐匿性高血压的筛查;同时,华米科技还将继续推进24小时连续血压监测,从而实现夜间睡眠监测与被动血压监测。

不过,目前该功能尚未获得医疗器械认证,并未对公众开放。用户需要加入华米与北京大学第一医院的联合研究项目,并签署知情同意书后方可使用。同时,这一功能需要每隔28天结合血压计医疗器械进行校准。预计11月,该手表的血压测量功能将会上线。

三星也在8月发布了Galaxy Watch4,可以对身体成分(骨骼肌、基础代谢率、体内水分和体脂百分比)进行分析,更提供了ECG功能、房颤检测、血氧以及血压监测等高级健康功能。

Galaxy Watch4的一大亮点在于其新型的三合一传感器,在单个芯片中集成了三大健康传感器——光学心率传感器、心电传感器和用于血压测量的生物电阻抗分析传感器。

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三星Galaxy Watch4可实现血压监测(图片来自三星官网)

不过,由于仅在部分国家和地区获得了医疗器械认证,三星的血压监测功能并非在所有地区都可启用。目前,这一功能在国内还未开放。与此同时,与华米的情况类似,三星也要求用户每隔四周使用获得医疗器械认证的传统袖带式血压计校准设备。

虽然血压监测目前还未能通过医疗器械认证,且仍然需要传统血压计的校准。但总体而言,这一健康功能具有巨大潜力。在接下来的一段时间内,主要的可穿戴设备厂商都将陆续配备该功能。一旦技术成熟,加上大规模应用使得成本的下降,无创无袖式血压测量技术在未来的应用前景将无比广阔。

血糖?乳酸?酒精?可穿戴设备健康功能的未来想象空间

除了心率、ECG、血氧和血压等健康功能,在不久的将来可穿戴设备还可能涉及哪些健康功能呢?生物无创传感器的发展表明,连续无创血糖监测和乳酸监测或许将成为未来的攻关方向。

尤其是无创血糖监测,具有巨大的市场潜力。根据国际糖尿病联盟公布的数据,2019年我国糖尿病确诊患者达到1.16亿人;预计2030年,我国糖尿病人群将达到2亿人。动脉网·蛋壳研究院发布的《糖尿病管理数字化创新报告》显示,糖尿病市场将于2025年达到1349亿元。

糖尿病患者每日必备的数次血糖检测需要通过采集血液获取,用户体验不佳且存在一定的感染风险。因此,业界一直在努力通过无创方式实现血糖监测,从而可以极大地改善用户体验。

通过对汗液、泪液、唾液和间质液等体液进行取样,并对其所含的生物标志物进行化学分析是此前无创血糖监测的主要研究方向。不过,这种方式依赖于高度特异的生物受体。这些生物受体能够在生理条件下识别复杂样品中的目标生物标记物及相关浓度。

同时,这一技术的推广也要求对体液的生化组成有深入的了解,如汗液或眼泪的生化组成及其与血液化学的关系。另外,为了实现在不会造成佩戴者不适的前提下无创采样,生物传感器还需要使用先进的材料和设计,从而提供必要的灵活性和延展性。

对于腕戴式可穿戴设备而言,基于无创取样汗液和间质液监测的经皮透析无创血糖监测技术在设备集成、传感精度、汗液/ISF生成和替代、信号传导、数据传输和多路复用传感等方面取得了显著进展;同时,相关的柔性材料和自恢复材料也有进展。

然而,这一技术还需要延长使用时间,增强传感器响应与同期分析血液浓度的相关性,对生物体液有效可控的取样,以及加强汗液取样和传输,以提高检测的可靠性和关联来动态监控浓度的变化。

正因为难度如此之大,多年来业界在这一领域上的进展并不明显。早在2015年,谷歌的兄弟企业Verily就曾试图开发一款可利用泪液实现无创血糖监测的隐形眼镜。然而,几经努力后,这一产品并未被开发出来,从而被Verily放弃。

通过近红外、中红外光谱技术对血液中的血糖进行监测则是另外一种无创血糖监测技术。光谱技术主要利用物质独特的光谱特性——通过测量特定物质与各种不同波长光波间的互动关系,来测量该种物质的浓度。物质在和不同波长的光进行反应时会有不同的吸收率和反射率,也有可能吸收后发出不同波长的光。

通过研究特定物质在不同波长下的反应特性,就可以得到它在某一波段光波下的特异性光谱特征。通过发射特定波长的光波,再利用传感器接收反射回来的光波,对比某一物质的特异性光谱,就可以对物质含量进行估算。理论上而言,只要可以生成信号强度足够且波长极为精准的光线,就可以实现特定生化标志物的检测。

从本质上而言,这种技术与可穿戴设备的心率监测、血氧浓度及血压监测都属于同一路线。难点在于血糖的光谱特征对设备实现的挑战上。这类设备往往需要克服功率效率、信号强度和光谱覆盖范围和分辨率的问题,挑战极大。

以血糖为例,其在近红外(600-2500nm波长)和中红外(2500-16000nm波长)照射下的光谱特征最为明显。然而,这两个波段下的光线无法穿透人体大部分组织。因此,需要通过测量组织反射回来的光波光谱,而不是穿透组织的光波光谱来测量人体内的血糖含量。

近红外光线的组织穿透力强于中红外光线,但血糖对近红外的光谱特异性没有中红外光强。中红外光被誉为光谱中的“指纹”,具有很强的特异性。然而,由于中红外光对发射装置要求高,且基本不能穿透人体组织。所以,利用光学技术实现无创血糖监测迟迟难以获得进展。

尽管苹果在血压监测功能上稍显落后,但在无创血糖监测上则有希望重新夺回领先地位——作为苹果主要的传感器供应商之一,硅光子芯片和模块供应商罗克利光子(Rockley Photonics)在2021年7月宣布该公司即将研发出无创血糖监测传感器。

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罗克利光子的硅光传感器(图片来自罗克利光子官网)

罗克利光子的集成硅光传感器使用光子集成电路(PIC)芯片在特异光谱范围内产生大量离散的窄线宽激光。相比传统的基于LED技术的传感器,具有三大优势。

第一,光谱分辨率高。硅光子激光器具有极窄的线宽,可以将光谱分辨率显著提高到与单色仪类似的水平。

第二,集成密度高。其高密度激光集成技术允许在一个紧凑的芯片上发射激光且覆盖非常宽的光谱范围。

第三,频谱功率效率高。由于以精确定义的激光线发射光线,比LED发射光谱窄许多,其专有激光器发射的最佳水平光功率仅需数mW功率即可满足需求。

由于罗克利光子的硅光子芯片可覆盖广泛的光谱,且理论上具有足够的精度和信号强度。因此,理论上除了血糖,其在未来也可以实现更多生物标志物的监测,比如乳酸、水合作用和酒精浓度。

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罗克利光子硅光子平台的潜在应用(图片来自罗克利光子官网)

按照时间推断,明年发布的新一代Apple Watch或许将搭载罗克利光子的硅光子平台,从而将Apple Watch打造成为名副其实的“腕上诊所”。

写在最后

传感技术是可穿戴设备发展的基础。通过更准确的传感技术和计算得到的人体更加丰富的生命体征数据,除已经搭载的心率、血氧、ECG 外,还有血压、血糖等功能都将为智能手表在健康监测和慢病管理上创造更多的空间,也将为应用生态的丰富和发展打下数据基础。

可穿戴设备已从体温、心率开始逐渐扩展至心电、血氧、血压,并正在向更为丰富的血糖、乳酸等体征发展。再引入云计算和AI;这些海量的健康数据完全可以从量变引发质变,从中探索出疾病预防及治疗的新思路。

动脉网也将持续关注健康可穿戴设备的发展,为读者带来最新的报道

参考资料:

深圳湾:《心率、ECG、血氧、医疗大数据,Apple Watch 健康之路全回顾 & 下一代预测 | 特稿》

雷锋网:《血氧传感器一夜成手表新宠,含金量到底有多高?》

贝壳社:《深度| 全球最新无创血糖监测技术路线大比拼》

Rockley Photonics:Real-Time, Non-Invasive Biomarker Seing on the Wrist

封面图片来源:123rf

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