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后疫情時代家庭健康醫療電子產業分析

2021-08-03
來源:與非網

  過去一年多以來,全球飽受新冠疫情之累,相關診療配套和個人健康護理意識的高漲,推動了家庭健康醫療和設備市場需求的增長。除了資本市場的熱捧——目前A股醫療相關行業基金的收益率保持在2位數上下——一些原本已經顯現的趨勢今年將以更快的速度發展,包括數字化智能化、可移動性等,這些既有賴于醫療電子技術的進步,同時也推動了醫療電子技術的發展。

  一些市場研究機構的數據顯示出醫療電子和技術進步正在相互作用,為這一行業帶來多元化的增長預期。例如IDTechEx的多個報告顯示,全球可穿戴醫療設備中的電子皮膚貼片在2021年的市場營收將超過100億美元,預計到2031年,這一數字將超過300億美元;醫療壓電傳感系統市場到2029年預計將達到10.4億美元。而在藥物研究的投資中,過去3年里,利用機器學習和深度學習算法來改進藥物發現過程的AI的應用籌集到80%以上的資金,在新冠疫情高峰期的2020年,相關投資超過了2018年和2019年的總和。此外,全球基于AI圖像的醫療診斷技術到2030年的市場規模將超過30億美元,同期,醫療柔性電子產品的市場規模將超過83億美元。

  在本期與非網<家庭健康醫療電子>專題中,我們將和來自Melexis、ADI、艾邁斯歐司朗、安森美、德州儀器(TI)的專家們一起來梳理和分析這一市場的熱點和趨勢,并通過這些公司最具代表的相關產品來了解應用需求對技術的驅動。

  市場熱點和趨勢

  家庭健康醫療市場的迅速增長,新冠疫情是一個推手。新冠疫情對人們看待健康醫療的方式產生了持久和不可逆轉的影響,Melexis溫度傳感器市場經理Joris Roels認為,傳統系統的諸多弱點已經暴露出來。人們將比以往任何時候都更在意空氣質量。預防性和前瞻性的醫療保健將有利于反應性治療。早期診斷(感染和其他醫療問題)是關鍵。通過可穿戴設備進行持續的健康監測很可能會改變游戲規則,并能在家中進行早期診斷。

  新冠疫情暴露了醫療健康系統的脆弱性,ADI醫療、消費與新興業務總監趙延輝認為,如何讓普通人能負擔并容易獲得醫療資源、保持健康生活,將成為全球醫療健康行業新的重心和需求所在。信息技術能夠幫助醫療系統將重心從治療轉向預防,從院內轉向家庭,隨時監測和傳輸臨床級數據成為可能,讓醫生無論在哪里都可以掌握這些數據,而無需患者住院。

  與此同時,隨著我國老齡化社會的發展,從院內臨床設備發展而來的遠程監護(RPM)服務的需求隨著對老齡化人群和慢病人群進行家居健康管理的需求發展變得越來越強烈,開始向院外擴展,院外監護市場是一個新興的市場。而隨著技術的進步,家庭健康醫療產品也是從有創、有感、單點測量朝著無創、無感和連續測量的方向發展。

  相關調研數據已反映出家庭健康醫療市場的巨大潛力——中國家用醫療設備增速超過整體醫療設備,且占比逐年增高,市場規模從2015年的480億元,發展至2019年的1189億元,年均復合增長率為18.6%。據預測,到2021年中國家用醫療器械市場規模將達到1560億元。艾邁斯歐司朗現場應用工程師李銘豪認為,目前的家庭醫療市場的需求熱點主要集中在以下幾個方面:

  智能化:家用醫療器械產品將逐步具備數據傳輸、數據儲存及數據分析功能,并將監測數據上傳至健康云平臺。

  多功能化:賦予一個家用醫療器械產品多種功能,比如一個設備可以完成測量心率、血壓、血氧等多項功能。另外,產品的多功能,還可以節約用戶的購買成本。

  可穿戴:可穿戴主要是指進行長時間的動態健康數據監測,以提供更全面的健康數據信息,提高診療水平。同時,在長時間的數據監測中,一旦發現異常的數據信息便可發出預警。

  遠程醫療:遠程醫療是建立在智能化的家用醫療器械產品的基礎上,個人健康數據傳送至健康云平臺后,健康云平臺再將數據傳送至相應的醫院或醫生,由醫生出具初步的診斷或直接在線交流回答患者的緊急咨詢,從而達到遠程醫療目的。

  安森美半導體醫療分部應用工程師田世帥認為,隨著老齡化趨勢,后疫情時代,以及消費觀念升級,家庭健康及護理產品消費的增長,都在促使家庭醫療器械行業快速發展。特別是近年來,由于技術方面的突破,很多產品在便攜式,智能化,精細化方面大力提升,如電子體溫計,電子血壓計,非處方(OTC) 助聽器/輔聽器,骨傳導輔聽器,家用連續性血糖儀等市場都有很大的增長。

  除了市場規模的增長,家庭健康醫療的一個發展趨勢是多元化。TI醫療部門總經理Ajinder Singh認為,針對不同的群體開發專門的健康監測設備,理療康復器械等正在逐漸普及和蓬勃發展,例如家用呼吸機、制氧機在睡眠呼吸暫停治療中的應用。而通過醫療級家用設備,家用監護儀,高精度血氧儀,連續心電監測的穿戴設備,以及帶有無線連接的無創血糖連續監測,和各種加上無線功能的傳統家用醫療設備,可以共同構建起個人健康數據中心。

  關鍵技術和升級

  后疫情市場推動了需求,而包括數字、模擬和傳感在內的關鍵技術進步也在推進家庭健康醫療設備的發展。Joris Roels舉例,實現家庭醫療保健系統需要可測量生命體征的可穿戴設備,其普遍傳感系統是PPG(光體積描記法)和溫度。小型化和低功耗是關鍵。

  “特別是對于紅外溫度傳感器芯片,小型化需要更復雜的策略。傳感器越小,在熱動態環境中越容易變得不穩定。”Roels說,“這種傳感器的每一個小尺寸都需要仔細的熱工程,特別注意有害的熱梯度。自熱需要通過仔細的CMOS設計來限制,避免不必要的功耗。”

  實現家庭醫療保健相當于實現院外監護,趙延輝強調,這需要將院內監護的精準度“復制”到院外。這使得原本的院外偏消費電子的智能可穿戴產品開始具備更多的健康體征信號的監測功能(如:血氧監測、心電心率監測、睡眠監測等),并具有或接近臨床精準度的醫療健康監測功能。

  “10年前,生命體征監測(VSM)主要應用于醫院以及救護車和直升機等專業救助設備,最大的市場是床邊監視器和重癥監護病房的監視器,這些高端系統支持多導聯ECG測量、氧飽和度、體溫和二氧化碳以及其他若干參數測量。”趙延輝說,“現在,VSM正逐漸融入我們的日常生活,可穿戴式VSM系統使醫生能夠遠程監控病人。”

  趙延輝認為,家庭健康醫療系統的升級和演進離不開軟件上人工智能和大數據的助力,以及硬件上各種傳感器和模擬前端的精度提升。以呼之欲出的連續血壓監測為例,其精度標準是院內有創的監測。但通過比對院內的有創連續血壓監測和光電容積脈搏波(PPG)發現,兩者的波形相似度極高。基于此,通過人工智能算法和大數據的助力,可以將二者的關系有機的聯系到一起,用無創的光電容積脈搏波來反推個體的連續血壓變化。不過,僅是軟件的進步還不夠,如果硬件PPG的精度不夠,就無法捕捉到完整的波形信息進行算法比對。例如連續血壓監測中的降中峽信息,以及針對不同膚色和毛發情況下的信號幅度等。所以,ADI在設計相應芯片時,都會充分考慮這些因素。

  田世帥認為,便攜性,智能化,人性化是推動家庭醫療升級的關鍵技術。以連續性血糖儀CGM為例,糖尿病人群或患者在做血糖檢測時候,不再需要每次都扎破手指采集血樣,而是可以直接佩戴便攜性的連續性血糖儀在腹部和手臂上,實現每天24小時不停的監控血糖數值。再比如,隨著關注聽力健康人群的逐步增加,很多傳統的助聽器驗配方法需要患者親自到驗配門店去驗配,流程繁瑣,滿足不了人們的日常需要。更多人群希望能夠實現在家就能夠做聽力檢測和實現助聽器的驗配。

  高精度、便攜性已經是家庭健康醫療設備的發展方向。李銘豪認為,診療功能可以通過醫療級別的認證來得到保證,精度的提高有賴于醫療相關的傳感器和半導體元器件的高精度設計,例如內置的ADC的bit數,信號調理電路的整體設計等。而在減少設備的體積提高便攜性上,主要是兩個方向的考量:第一個是新技術的替代。例如超聲設備,傳統的換能器transducer要實現超聲設備的便攜,犧牲的精度又允許通過醫療認證,目前業內在研究PMUT(壓電式MEMS超聲波換能器)或者CMUT(電容式MEMS超聲波換能器)的技術和商用可行性。第二個就是現有技術的器件集成,例如把光電二極管PD和信號調理,數模轉換集成為模擬前端器件,提高性能的同時降低成本,實現更小的設備體積。

  關鍵應用驅動的典型產品

  通過對市場的熱點、趨勢,以及相關關鍵技術和升級方向的討論,我們可以看到,高精度、小型化、智能化和便攜性是家庭健康醫療設備驅動數模和傳感技術的應用方向。現在我們把參加本期專題的5家企業的典型產品進行梳理,看看這些產品是如何滿足這些應用特性的。

  Melexis的MLX90362

  這是一款業界最小的醫用紅外溫度傳感器。非接觸式溫度計克服了接觸式溫度計所遇到的典型問題——即無法保證與被測物體的熱接觸時,其精度較差。MLX90362具有高精度、小尺寸(3x3x1 mm)和熱穩定性(非接觸解決方案的典型弱點)的組合特性。該顆料的詳細信息可參考《可消除非接觸式溫度測量中熱擾動的智能解決方案》。

  ADI的可穿戴健康監測方案

  該方案結合了嵌入式傳感器、處理能力和無線通信能力,打破了院內臨床醫療設備和院外可穿戴設備的界限,加速了可穿戴醫療和遠程醫療技術的進步。

  VSM信號調理技術是下一代家庭健康可穿戴設備中數字醫療保健的關鍵技術,ADI在該領域有數十年的專業經驗,結合ADI在光電、生理電勢、生物阻抗、運動、體溫等各類高精度、高性能、高可靠性的傳感器、以及信號處理前端和集成模塊的經驗,使其在體征信號監測智能醫療設備和可穿戴設備方案中, 能夠實現嵌入式傳感器、處理能力和無線通信能力的整合。另外,ADI在電源管理,信號處理及數據通信方面突出的技術和產品也為現在和未來的數字化智能醫療設備所需的更低功耗、更小體積,遠程互聯提供了完整的系統級解決方案。

  ADPD4100/ADPD4101是ADI針對VSM應用推出的一種多模式傳感器AFE,是可穿戴健康和健身設備中各種電氣和光學傳感器的理想樞紐,適用于心率和心率變異性(HRV)監測、血壓估計、壓力和睡眠跟蹤以及SpO2測量。這種新型多參數VSM AFE的多種工作模式可以容納醫療健康應用中的不同傳感器測量,包括但不限于光電容積脈搏波描記(PPG)、心電圖(ECG)、皮膚電活動(EDA)、身體成分、呼吸、溫度和環境光測量。

  AD8233是ADI的低功耗、單導聯、心電圖ECG模擬前端 (AFE),專為滿足新興的健身設備、便攜式/佩戴式監控設備和遠程健康監護設備的ECG信號調理要求而設計。與當前很多集成解決方案中采用的拓撲結構不同,AD8233的模擬濾波配置采用雙極高通濾波器,結合芯片內部的儀表放大器架構和無使用約束運算(增益)放大器,支持用戶采用多極低通濾波技術來消除線路噪聲和其他干擾,并可提供在關斷(shutdown)模式下的導聯脫落監測功能。它為系統設計人員提供了靈活性,將健身和醫療監護的價值和性能提升到一個新的水平。

  專門用于高精度阻抗測量的模擬前端AD5940和高精度、低功耗片上計量儀ADucM355可用于身體阻抗分析BIA,皮電活動EDA/GSR等,簡單易用,一步到位。

  在體溫監測方面,ADI的ADT7422數字溫度傳感器在體溫范圍內達到0.1°C 的精度,4x4mm的極小封裝,數字溫度直接輸出。ADT5912模擬溫度傳感器能在-20°C to 90°C達到0.1°C 的精度。這些溫度傳感器在小尺寸,高精度,低功耗方面都能很好地滿足穿戴產品的設計。

  在運動檢測的相關領域,ADI的超低功耗3軸數字MEMS產品ADXL362在運動檢測喚醒模式下功耗僅為300nA,其超低功耗的特征滿足可穿戴運動監測設備的應用,下一代更低功耗的產品也即將上市。

  安森美的個人健康護理方案

  針對每天24小時不停的監控血糖數值,安森美開發了模擬前端AFE以及配套的超低功耗藍牙RSL10,可以為連續性血糖儀方案提供一站式支持。根據傳感器,ADC,BLE的不同搭配,安森美半導體的連續血糖儀方案提供有離散型CGM方案,半定制CGM方案,全定制CGM方案。

  針對居家聽力檢測和助聽器的驗配,安森美推出了Ezairo系列助聽器平臺,可以通過一站式OTC解決方案。不管是在手機端APP實現聽力檢測,助聽器驗配,還是電腦端GUI實現遠程驗配和控制,安森美半導體提供了各種高低端方案,比如高端的E7160,中低端的B300, RSL10,安森美半導體都提供有相應的交鑰匙解決方案。

  艾邁斯歐司朗的傳感器和檢測方案

  艾邁斯歐司朗的生物傳感器產品系列采用首款集成式光學傳感器模塊,包括心率測量、光電容積脈搏波圖 (PPG) 和心電圖 (ECG) 算法。該模塊適用于眾多終端產品,包括可穿戴設備、醫療設備、工業設備和移動設備。艾邁斯歐司朗的生物傳感器可通過低噪聲模擬光學前端及艾邁斯歐司朗的定制化軟件和算法實現行業最高的精確度。我們憑借其在移動設備光學傳感技術方面的專業知識,為 OEM 提供電子、機械及光學設計指南,幫助客戶快速實現成功的應用。

  在光學傳感器領域,該公司推出的超薄血氧飽和度(SpO2)測量專用傳感器 AS7038RB,可集成到耳塞、智能手表和腕帶等可穿戴消費類產品以及貼片和血氧測量器等醫療設備中,提供血氧遠程監測功能。

  針對當前全球新冠肺炎疫情監控現況,艾邁斯歐司朗推出了數字化側向層析檢測(LFT)方案,覆蓋抗原檢測和抗體檢測,可以快速、靈敏、高效、經濟的方式進行大批量檢測,在較大范圍的COVID-19感染期內均可快速提供可信的檢測結果。該方案整合了ams高精度多通道光譜傳感器AS7341L、光學結構件和LED,以實現最高精度。AS7341L在可見范圍內的8光譜通道,可實現高精度混合多顏色同時測量,全光域通道支持初始化后的自檢測功能。目前,艾邁斯歐司朗已經攜手多家合作伙伴基于此開發了多種COVID-19檢測方案,具有高靈敏度、特異性、云連接和可提供定量結果等特性,并以手持式/一次性設備的尺寸和成本實現臺式實驗室級別的準確度。

  TI的監測系統方案

  低功耗、小型化(新的小型封裝技術)、無線傳感(如藍牙低能耗BLE) 、Wi-Fi、低于1 GHz等不同技術)等是TI在家庭健康醫療系統方案中的主要技術。包括在便攜可穿戴設備、高精度心電血氧測量系統中的小型化低功耗模擬前端(AFE),可對人體狀態、活動及運動特征進行檢測(如是否有人跌倒)的毫米波雷達傳感器,結合C2000系列微控制器,可精確控制呼吸機柔順呼吸的簡單易用的高精度馬達控制,以及高效率、低靜態電流、小體積的可保證長電池續航時間的電源管理芯片。

  結語

  2萬億美元,這是2020年全球醫療保健行業的收入。而近十年來,中國的醫療器械產業總體上一直呈現出高速增長的態勢。2018年中國醫療器械市場規模約為5304億元,同比增長19.86%,到了2019年,該市場規模增加到近6259億元。隨著醫療電子設備的國產化進程加速推進,以及智慧醫療、移動醫療等新興技術應用的落地,加上“健康中國”的國家戰略化,國家對全社會醫療服務體系的重視不斷加強,預計未來幾年,中國的醫療電子市場將持續平穩增長。可以預見,作為其中增長最快的領域,家庭健康醫療將在創新化發展周期中迎來新一輪的機遇。




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