原创 基于光学测量，健康监测领域正发生范式转变

“未来，监测我们健康的将主要是光学传感器。”

光学测量，正在我们的生活中无处不在，将其统筹划分，可以分为以下3大类：生物特征识别，3D传感与交互，以及生命体征监测。

“我们目前正在经历健康监测领域的范式转变。光学正在取代电学。”Christoph Göltner博士说，身在加州的这位艾迈斯欧司朗光学传感器营销工程师对这一趋势无比确信。 
一段时间以来，光学解决方案一直用于可穿戴健身臂带和智能手表，以监测我们的生命体征。其原理是通过LED 照亮皮肤和组织直至血管。光被血液中的血红蛋白吸收，根据吸收率，传感器可以算出脉搏数和血氧饱和度。例如，绿光主要用于测量脉搏，因为它最容易被红细胞吸收；红外光用于测量易于测量脉搏的地方，比如耳垂，同时也能与红光一起测量血氧饱和度。

1、“新”穿戴新在哪里？

后疫情时代将生命体征监测推向一个新高度。健康，这个人人都关注的终身话题，正在以各式各样的产品形式聚集在人们周边，例如当下强调的“新”穿戴。

“新”穿戴跟前几年的可穿戴，有着怎样的区别？
首先，需要具备医疗级的测试准确度。当前，人们越来越强调测试的准确度，从而用可穿戴设备的数据做一些医疗方面的指导、建议。例如，我们已经可以看到，在准确的心率测试基础上，也会逐渐添加更多的测试指标，例如血氧、血压、甚至是血糖。
其次，需要具有持续监测能力。我们每年都做体检，而体检报告中的很多指标都只是反映用户在当时特定时间点的健康状况。因此，“新”穿戴更讲求持续的监测，长期的跟踪。即便是针对一个简单的生命体征进行持续测量，例如体温或者心率，它随着时间累计的数据，对于我们判断身体健康状况都具有非常重要的意义。

第三，需要强化数据解读的能力。基于健康的可穿戴到现在已经做了不止5、6年了，可穿戴生态系统逐渐在发展、完善，这个行业对于获得数据的解读能力也是在不断提高——通过对若干生命指标的交叉比对以及分析，来寻找它们之间的关联。当然，这本质上也是可穿戴健康与大数据、人工智能技术的一种结合。

2、“新”穿戴需要光学测量技术的新进阶

随着光学技术的进步，心率测量、光电容积脉搏波图 (PPG) 和心电图 (ECG)等生命体征监测功能在智能可穿戴设备中开始普及，个人用户或健康专业人士得以更便捷地获取个体生命体征的数据，及时、准确监测身体健康状态或评估疾病发作可能。

根据Strategy Analytics的数据，在2020年全球首次售出了超过5亿部可穿戴设备。而在这些可穿戴产品中，也越来越多地搭载医学测量模块，可以测量人体的心率、血氧饱和度、血压、血糖等生理参数，就像是一个随身携带的“24小时微型体检实验室”，为人们的健康提供全天候的监护。

心电图测量：从量化生活到拯救生命

统计数据表明，医疗应用对于监测血液循环十分重要。心血管疾病是西方工业化国家人口的主要死亡原因，约占40%。通过持续监测高危患者的生命体征，可以避免很多此类死亡病例。然而，常规的监测方法心电图 (ECG) 并不适合日常使用。相反，配备了光学传感器的小型移动设备可以持续采集数据并发出即时警报。Göltner 表示：“光学解决方案能够做到非常精确。它们提供长时段的无创测量，比贴在皮肤上的电极要舒服得多。”

这得益于 LED 技术的快速发展。近年来，具有窄幅光谱带宽的高效LED 在薄膜芯片技术的支持下进入市场。艾迈斯欧司朗通过用于生物监测的BIOFY 产品系列实现了40% 的绿色效率提升，这在以前是无法实现的。再加上组件小型化和热稳定性方面的进展，全新的系统设计诞生了。

但就可靠的精度而言，医疗应用的门槛很高。除了提高制造精度，工程师们也在寻找新的方法。例如，他们让光通过多条路径，以此使用上最佳信号。下一个趋势是将VCSEL（垂直腔面发射激光器）用作更高级的光源。Göltner 解释说：“它们不仅能提高能源效率，而且由于辐射性能更佳，波长分布更窄，它们的精确度会更高。”

未来，改进的光学解决方案可以在心房颤动（心室纤维性颤动——能导致心跳停止的心脏短路）威胁生命时对心律失常患者发出警告。例如，加利福尼亚的一家初创公司目前正在开发一种腕带产品，通过使用 BIOFY 传感器对脉搏进行永久监测。其目的是及早发现心律失常，从而预防房颤甚至心脏病发作。

血氧饱和度：改善睡眠

另一个应用领域是监测血氧饱和度。这需要两种光源——红光和红外线。两者被红细胞吸收的方式不同，血氧饱和度可以通过此差异来确定——多年来，医院每天都在应用这一原则。

“对于患有睡眠呼吸暂停综合症这一常见病的人士来说，这可能是生与死的区别，”Göltner说，“患有这种疾病的患者在睡眠中会停止呼吸，这会损害人体重要功能，导致大脑缺氧。在这方面，也已经有经过初步认证的医疗产品能在夜间监测血氧饱和度，并在血液中的氧含量降低时提醒睡着的人。”

血糖：无痛测量

研究人员在无创血糖测量领域也进行了深入的研究。虽然目前糖尿病患者必须通过穿刺或植入物以测量血糖，但红外光谱和光热检测技术的结合有望在未来实现持续且无痛的血糖测量。一个持续监测血糖值是否过高或过低的手环，将极大地简化全球4 亿多糖尿病患者的生活。

心胜于物：脑电波测量

使用思想来控制设备是光学传感器的未来应用。Göltner 对其可行性十分感兴趣：“我自己也测试过，很惊讶它竟然如此有效。只要集中注意力，我就能在屏幕上将球从右向左移动。”到目前为止，连接到头部的电极已被用于测量脑电波 (EEG)。光学测量方法更为精确，且不容易受到干扰。

“这不是噱头，”Göltner解释道，“数百名科学家和工程师已着手开发测量脑电波的传感器。其主要应用领域将是人机交互，但在遥远的未来，人们能够以这种方式刺激瘫痪患者的神经。”

尽管距离这样的应用出现还需要很多年，但已有证据表明光学技术确实有效。这就是为什么Göltner可以坚定地说：“从全球范围看，光学迈向医学领域的成功之路才刚刚开始。”