Google智能隐形眼镜 期精准、无痛、持续血糖监测

2014-03-12 20:43:41来源: DIGITIMES
    穿戴式电子的应用,已从过往的联络人、行事历、待办事项等资讯管理领域,扩展延伸到心跳、计步、深浅眠侦测等健康管理领域,此可由2014年国际消费性电子展(CES International)上诸多业者推出健康监测用的智慧手环而印证。
Google在2014年1月宣布,其Google X实验室将投入智慧型隐形眼镜(smart contact lens)的研究,期望发展出能不侵入人体、能持续、准确监测血糖的血糖侦测器。
智慧型隐形眼镜的技术原理与无线射频辨识(Radio Frequency identification;RFID)标签类似,目前已有原形品(Prototype),初期在塑料基板上试做,之后再建构于隐形眼镜的胶片夹层中。
假若智慧型隐形眼镜能顺利商品化,则未来最适合搭配的无线发波器、数值接收器,必然是Google眼镜,DIGITIMES Research推估此为Google愿意投入智慧型隐形眼镜研发的最大动机,期扩展延伸Google眼镜的应用价值,从单纯的资讯应用,进阶至健康监测应用。


Google投入穿戴式健康应用
2014年国际消费性电子展上,穿戴式电子为一热门焦点,且多诉求于健康指数的监测,如心跳、姿势、速度、步数、消耗热量、呼吸等运动、睡眠表现,有别于过往以行程资讯(联络人、待办事项)为主的应用。
无独有偶的,Google于2014年1月17日揭露一项新研究计划,Google旗下的Google X实验室将开发智慧型隐形眼镜,该隐形眼镜期望实现非侵入性、持续性的人体血糖监测功效。
若智慧型隐形眼镜能从技术实验成功商品化,将对人类健康带来大助益,依据国际糖尿病联盟(International Diabetes Federation;IDF)于2013年11月的报告,全球每19人即有1人罹患糖尿病,且医疗体系的对抗防治处于下风。
智慧型隐形眼镜虽仍在实验阶段,专案的主要负责人推估还需5年时间才能成熟,但穿戴式、数位医疗检测等技术仍为今后资通讯产业极关注的焦点,因此DIGITIMES Research将针对此进行进一步的技术、商业性探讨。
现行血糖检测法的不完美
要量测人体的血糖值有多种方式,目前最普遍的作法为扎针法,即是用极微小的针侵入人体(如手指头),自微血管内取出微量的血以进行检测。然此作法有一些缺点。
一是扎针的程序会侵入人体,需格外注重卫生,以免外界细菌跟随侵入,二是扎针仍会带来微量的疼痛,多数人仍尽可能规避扎针,三是延续规避扎针,多数人每天仅量测1~2次血糖,即2个时间点的取样,而不是持续性的监督血糖,然人体的血糖值会随作息、餐前餐后而变化,为达到更妥善的治疗照顾,有必要进行持续性的监测。
为了达到非侵入与持续性,业界提出其他种血糖检测法,例如影像感测法,以光源照射手指头顶部,同时用影像感测器感测手指头底部,依据光源的透光程度来研判血管内的血糖浓度,此方式可达到非入侵与持续性,但目前这种量测方法的准确性偏低。
另一作法是在隐形眼镜上涂布化学药剂,药剂与眼球自然分泌的泪滴产生反应,会逐渐产生颜色变化,透过颜色变化来判读血糖值,严格来说,这应该称为「泪糖检测」而非血糖检测,但最终用意仍在于得知血糖值。化学药剂方式虽不侵入人体(皮下),但药剂效果仅1次,依然无法达到持续性监控。
同样的,现行也有植入皮下的持续性血糖监测法,一次植入约可持续使用数年,然侵入人体仍是许多人所顾忌。另外,医界亦尝试用汗滴来检测血糖,但问题亦是准确性不足。简言之,如何精准、非侵入、持续监测血糖,仍是各界努力的目标。
智慧型隐形眼镜技术简述

由于智慧型隐形眼镜尚在摸索阶段,其技术规格与表现日后仍可能改变,以下以华盛顿大学的现有研究为依据来了解。事实上华盛顿大学的研究也等同于Google智慧型隐形眼镜研究的基础、前身,大学研究的主要负责人本身亦主持、参与Google的研究。
智慧型隐形眼镜的技术开发,最初是以PET(Polyethylene Terephthalate)塑料为基板,于基板上建构微型电路,包含生化感测器模组、通讯电路,以及天线等,在此生化感测器指的是泪糖的糖份感测,但未来也可能换用其他感测器,如感测人体的胆固醇、钠、钾含量等。
泪糖感测器初期是用酶的化学反应来实现,缺点是酶会在持续侦测中逐渐因化学反应而耗损,检测的准确度会逐渐偏离,然未来若改采电极式、非化学反应的泪糖检测方式,则没有耗损问题。另外,泪糖的糖份比血糖低,约仅有血糖的10%,然透过量测与推算,仍可达到精准效果。
而天线方面,天线在隐形眼镜中具有2种功能,一是发波将泪糖数据送出眼镜外,眼镜外的读取器(在此称为Interrogator)在接收电波后取得数据,另一是接收外部以无线电波型式送入的电能,一般也是由读取器负责。
而通讯电路方面,通讯电路一端接天线,一端接感测器,同时电路内具有一个小型电容器(电容值约500pF)充当隐形眼镜的电池,整个运作程序与无线射频辨识标签相当类似,即读取器发出带能量的电波至天线上,天线将电波能量传导至通讯电路,通讯电路将能量储存在电容器内。
进一步的,通讯电路运用该电容器的电力接续运作,去读取感测器的泪糖感测值,而后将数值透过天线发波出去,由读取器接收数值,整个程序运作仅耗用约3uW的电力。
另外,整体设计上也允许加入1个微型LED,当感测到的泪糖值过高或过低时,可由通讯电路直接驱动、点亮LED,警告配戴者该注意自身的血糖状况,若要加入此一选用性设计则要增加整体功耗,自3uW增至12uW。
细部技术
上述为概述,在此则进一步了解技术细节。在通讯电路(扮演微控制器的角色)方面用的是0.13um CMOS制程,通讯电路上有一部份是电能的转换,如整流器、电压调整器等,将天线接收来的电能转换成微行电路可用的电能,微型电路是以1.2V为运作电压。
在天线方面,天线的收发运作频率为1.8GHz,事实上也可采行900MHz。1.8GHz的天线要在眼镜周围绕布约3圈,900MHz则约1圈。在电波的收发上,读取器最大发波功率为1W,在距离隐形眼镜约15公分内的距离发送电波。
目前没有明文规定读取器的最大发送功率,但读取器若功率过高或太频繁发送电波,会导致眼睛温度升高,恐会对健康有所影响,因此读取器的功率、距离仍待验证与规范。整体而言,智慧型隐形眼镜的技术难处在于功率与整合,如低功耗转换、运作,与天线、感测器的整合等。

商业化的挑战
了解技术细节后,由于前述均在塑料基板上尝试微型化,最终须与实际隐形眼镜结合才行。实际作法上,隐形眼镜是由上下两片胶片所构成,下部依附于眼球表面,上部则以表面曲度来提供眼镜功效,而智慧型隐形眼镜的微型电路,即天线、感测器、通讯电路等,则是包夹在两片胶片内,以下部胶片为基板构筑整套系统。
由于天线、感测器、通讯电路等均环绕在眼镜的圆周附近,不影响配戴者的视线,同时原有的上部胶片依然有曲度效果,即原有隐形眼镜效果仍存在。更重要的是,现行研发的商业化目标在于能与一般可抛式隐形眼镜般平价,因此也必须考虑成本因素。
虽然智慧型隐形眼镜有准确、持续性、非侵入等优点,但现阶段仍有一些商业化难处,例如尚未进行人体实验,此方面须与美国食品药品管理局(Food and Drug Administration;FDA)准许。
另一方面,由于电路材料可能对人体有害,必须尽可能改成无害材质,例如天线与电路布线方面已改成金线。金、银等材料不易与外界物质发生化学反应,适合用于人体(如假牙)。
不过,隐形眼镜整体设计均要无害于人体,故各环节仍需慢慢调整,甚至还有技术挑战,例如采行对人体较无害的材料来实现微型电路,电路的制造良率与运作效率都偏低,商业化与实用性亦会打折扣。
为Google眼镜带来综效
最后,智慧型隐形眼镜需要搭配一个外部的读取器,据DIGITIMES Research研判,目前最适合担任这个角色的装置是Google眼镜,因为眼镜邻近隐形眼镜(肯定在15cm距离内),适合收发讯号,读取后可储存记录数值,甚至可以省略隐形眼镜内的微型LED,血糖过低或过高的警告改由眼镜发讯息提示,进一步节省隐形眼镜的成本与运作功耗。
或许,正因为智慧型隐形眼镜能为Google眼镜加值应用,或让两者有互益综效,使Google X实验室愿意投入,若能成功商业化,则如本文最前段所述,穿戴式电子的应用诉求由资讯管理转向健康监测,智慧型隐形眼镜将能此一产业更具吸引力。

关键字:Google  智能隐形眼镜

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2014/0312/article_31395.html
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