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RockleyPhotonics的血糖监测硅光芯片原理图

2021-11-23 光学小豆芽 阅读:
今年七月份,RockleyPhotonics对外宣布他们正在研发用于运动手环的生物传感器模块,并且已经和Apple达成合作,未来有望在AppleWatch上采用。小豆芽这里对相关的技术做一个简单的整理

今年七月份,Rockley Photonics对外宣布他们正在研发用于运动手环的生物传感器模块,并且已经和Apple达成合作,未来有望在Apple Watch上采用。小豆芽这里对相关的技术做一个简单的整理,供大家参考。x98ednc

目前市场上的运动手环,大都以绿光的LED作为光源,入射到皮肤表层,通过检测反射回来的信号,获知用户的心率、血压、血氧等信息,如下图所示。x98ednc

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(图片来自文献2)x98ednc

Rockley的方案中,除了可见光LED光源之外,还配置有近红外光源,可以穿透到更深层的皮肤中,再结合硅光芯片的片上光谱仪,进而获知用户的血液里血糖、酒精等物质的浓度信息。x98ednc

首先聊一聊血糖检测,传统的方案是指尖采血,进行化验分析,进而得到血糖值。这一方案比较耗时,对人体有创伤,并且不能动态监测。如果能够在手环中集成实时监测血糖这一功能,无疑带来了巨大的便捷。Rockley采用的是拉曼光谱的监测方法,其工作原理如下图所示,x98ednc

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(图片来自文献1)x98ednc

通过分析从血管散射回来的拉曼光谱,与特征光谱进行比对,可以分析得到血糖、酒精等物质的浓度信息。x98ednc

Rockely的模块分为四部分,如下图所示,x98ednc

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(图片来自https://semianalysis.com/rockley-photonics-will-revolutionize-healthcare-by-measuring-biomarkers-such-as-glucose-with-lasers-in-an-apple-watch/)x98ednc

其中第一部分为近红外光芯片,尺寸为8*3 mm^2, 第二部分为可见光光路,第三部分电学接口,第四部分为电芯片。硅光芯片出现在第一部分,一方面通过微环产生频率梳光源,另一方面在光芯片上实现片上光谱仪,用于分析散射回来的光信号,从而得知血糖的浓度。x98ednc

频率梳光源的原理图如下图所示,x98ednc

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(图片来自文献3)x98ednc

在SiN光芯片上集成III-V的光放大器,单一波长的光进入到微环后,由于SiN的Kerr非线性效应,发生四波混频过程,产生两个新的波长,新的波长进一步在微环中振荡,发生四波混频效应,进而产生多组波长组成的宽带梳状光谱。这里面涉及到的SiN芯片与III-V芯片异质集成,正是Rockley硅光工艺(x98ednc

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