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[导读]汇顶在上海慕尼黑展示的可穿戴CGM demo,选用了自主研发的BLE芯片和AFE芯片,PCB板面积仅与1角硬币相当;通过1.5V氧化银纽扣电池的供电,支持其低功耗模式待机两年后,仍可实现14~21天的连续血糖监测。

汇顶在上海慕尼黑展示的可穿戴CGM demo,选用了自主研发的BLE芯片和AFE芯片,PCB板面积仅与1角硬币相当;通过1.5V氧化银纽扣电池的供电,支持其低功耗模式待机两年后,仍可实现14~21天的连续血糖监测。


世卫组织称,当前全球有超过4.6亿糖尿病患者。自1980年以来,全球糖尿病患病率几乎翻了一番,在成年人口中所占比例从4.7%升至8.5%。

而值得注意的是,糖尿病前期患者人数几乎是患病人数的三倍。长久以来,糖尿病的预防和前期治疗都是一个难题。因为传统的指尖血无法提供连续准确的血糖监测数据,因此对于该疾病的预防和治疗也就无从谈起。

可穿戴式微创无痛持续血糖监测的方案,近年来开始兴起。通过这种更为轻便高效的血糖持续采集,或可帮助前期患者实时掌握自己的血糖水平,动态调整自己的运动、食物摄取和胰岛素水平,从而预防糖尿病的发生。而对于已患病人群,动态血糖仪能够帮助他们避免病情恶化,改善饮食习惯,实现精准用药并提高生活质量。

但这种CGM设备在系统方案上还面临着诸多挑战,而在这些技术难点上的突破,才能真正地将可穿戴式微创无痛持续血糖监测推向更大众市场。


持续血糖监测(CGM)设备的设计挑战

持续血糖监测系统(CGM)包括采集传感器和监视设备两大部分。采集端包括微创探头、模拟前端(AFE)和无线数据传输三大核心组件。而监视设备可以是手表、手机或其他智能设备。探头通过无痛微创的方式侵入到皮肤之内,将采集到的信号输送到AFE,AFE进行信号的初步处理和放大,然后将处理后的数据通过BLE传输到监测主机,完成血糖数据的映射,进行实时血糖数据的记录、分析并给出建议。

首先在探头层面,挑战包括电化学层面采集精度、生物相容性、体液浸润下的长期稳定性等。并非本文的讨论重点,因此不再展开。

在AFE方面,挑战来自信噪比(SNR)、线性和动态范围、尺寸功耗成本几个方面。首先,AFE需要能够准确地放大微弱的血糖信号,并抑制来自体内和设备外部的噪声。其次,为实现对于从极低到较高的血糖浓度变化处理,AFE应具有广泛的动态范围和良好的线性响应。最后,对于这种持续监测的场景,芯片的尺寸和功耗也要求更为严苛。

在无线连接的部分,其实主要的挑战也来自于功耗层面,而当前主流的方案均采用的低功耗蓝牙进行数据的传输。

图片来源:  "https://my.clevelandclinic.org/"

对于医疗设备厂商而言,对于探头的灵敏度和抗干扰性、对于相关算法的调教,通常都是其关键的技术护城河。而对于AFE和BLE等芯片进行设计制造,就涉及到了模拟电路的know-how、更高的自研成本投入和较长开发周期,而且整体自供量的需求也很难将芯片成本平衡下来。因此这一部分就更适合专业的芯片供应商来做。汇顶已经瞄准了这一市场方向,并在近日的上海慕尼黑上展出了BLE+AFE的CGM demo板。凭借着极小的体积和超低价的功耗,该demo在现场引发了极大关注。


汇顶CGM方案,助力客户实现极致设计

现场展示的CGM的demo有两款,一款是3V供电的demo板,体积和一元硬币相当,选用的是汇顶的GH7800和GR5331。另一款demo板采用1.5V的氧化银电池供电,整个demo板的尺寸更小,和一角硬币相当,其中选用的是汇顶的GH7800和GR5310。

在跟现场的工程师交流过程中我们得知,1.5V CGM这个demo不仅体积小巧,而且功耗极低,待机两年之后还能用14天(14天的连续血糖监测)。

CGM对于功耗的要求,要比一般的穿戴设备严苛的多。“因为这个采集设备生产出来不会说一生产出来马上就用,但它已经开始供电了。在这种低功耗的模式下面,我们要坚持两年,两年之后客户贴到手/胳膊上去了,启动它正常工作了,还能够坚持14~21天,所以这个的功耗要求其实比穿戴要苛刻很多,而且它不能充电。”

关于这两款CGM demo上采用的AFE芯片——GH7800,作为最新的AFE产品,主要有以下特性:包括最多支持两路电化学应用、1.5V工作电压、适用于CGM和汗液检测等应用、极小的封装尺寸——1.8x1.8mm。

此外现场还有展示来自健康传感器家族的两个新产品,分别是GH7530Q和GH3300。GH7530Q是3通道ECG AFE,符合IEC60601-2-47标准,支持呼吸阻抗测量。GH7530Q主打的是心电贴和动态心电图机等产品应用,此类设备对于体积不是那么敏感,因此该芯片也比GH7800要稍大一些,更方便客户降低SMT的工艺难度。而GH3300则是一款高集成度、高性能、多模态模拟前端芯片,支持PPG、ECG、BIA和EDA测量,具有灵活可配置的工作模式,还支持温度测量。适用于高端智能手表、手环、多参数监控设备、掌上ECG等产品。

特别值得一提的是在蓝牙方面,此次汇顶的demo中采用的GR531x也是专为CGM等医疗健康应用开发的低功耗蓝牙SoC。该芯片内置多项定制功能,例如集成低功耗电源开关,大幅减少产品在仓储和物流过程中的能耗;支持宽输入电压范围(1.2 V-3.6 V),能够满足多样化的产品需求。

总的来看,通过卓越的低功耗芯片设计和系统优化,汇顶此次展示的医疗健康方案更易实现长续航目标,帮助降低对系统电池容量的依赖。


结语

持续血糖监测(CGM),有别于其他可穿戴的PPG、ECG和BioZ,应该说是属于严肃医疗的领域。而此次汇顶推出的CGM方案,可以看作是其从可穿戴健康向严肃医疗领域跨的一小步。通过超小的芯片尺寸,极简的外围BOM,汇顶将助力客户挑战极致的产品设计。

从当前终端售价上来看,CGM仍难实现大规模用户市场的普及。但随着汇顶芯片方案的推出,我们期待能够这项新技术真正惠及广大糖尿病患者。

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