生物感測應用光感測器的技術趨勢

基於上一篇文章對SWIR技術基本原理的說明，我們將討論非侵入式生物感測技術，這是一種逐漸受到重視的特殊應用。

全球糖尿病患者數量增加

近年來，全球經濟發展和隨之而來的飲食結構變化導致全球糖尿病患者及高危險群增加。根據國際糖尿病聯盟 (IDF)* 的數據，2021 年全球糖尿病患者人數為 5.4 億，預計到 2045 年將達到 7.8 億。
*糖尿病事實與數據 | 國際糖尿病聯盟

全球糖尿病的增加帶來了醫療費用上升、生活品質下降、社會負擔加重等社會問題。

血糖控制是糖尿病治療的關鍵。對於糖尿病患者來說，基本的治療方法是結合飲食和運動療法，以及口服藥物或註射胰島素來維持穩定的血糖水平。因此，患者必須在日常生活中持續監測血糖值。為此，人們使用各種血糖監測設備。

血糖測量的挑戰：從侵入性方法到非侵入性方法

血糖測量有兩種方法。第一種是SMBG（自我血糖監測），即測量指尖採血中的葡萄糖含量。第二種是CGM（持續血糖監測），即使用佩戴在手臂上的貼片式感測器持續測量血糖。直到最近，SMBG和CGM方法通常都採用需要針頭穿透皮下組織的「侵入式」方法。然而，隨著感測器技術的進步，可以從皮膚上方測量血糖的「非侵入式」感測器的開發正在取得進展。

從侵入式測量到非侵入式測量的轉變，為糖尿病患者帶來了許多顯著益處。首先，就是消除了採血針插入帶來的疼痛。雖然採血針非常細，疼痛程度極小，但每次檢測都難免會感到不適。這對於糖尿病兒童來說尤其成問題，因為他們通常害怕注射，這可能會妨礙治療。

採血的另一個問題是，在同一部位反覆注射會導致皮膚硬化。因此，必須不斷輪換注射部位。相較之下，非侵入式連續血糖監測 (CGM) 設備則從皮膚上方進行測量。一旦安裝，即可持續監測 10 天至 2 週，且不會造成疼痛。

對患者而言，第二大優勢在於經濟。侵入式SMBG設備每次測試都需要更換採血針和血糖感知器。設備本身價格為64.30美元至96.46美元（基於2025年1月155.51日圓兌1美元的匯率）。每次測試的感測器和採血針成本為0.96美元至1.29美元。每天測試三次（早、中、晚），即使有醫療保險，每年的費用也約為128.61美元。非侵入式設備無需消耗零件，只需購買初始設備即可。 （具體費用因國家/地區和保險範圍而異。）

隨著全球糖尿病患者人數呈上升趨勢，血糖監測市場預計將大幅擴張。全球各大公司正競相開發搭載新型非侵入式感測器的穿戴式設備，以搶佔此一市場。

生物感測中的光感測器

穿戴式裝置非侵入式生物感測器的核心技術利用了我們在上一篇文章中解釋過的SWIR等光學特性。 （請參閱基礎部分（有關詳細的光學特性。）下圖說明了 Dexerials 的SWIR反射感測器設計。

在左圖中，光線在撞擊無機物質時會反射。相比之下，在右圖中，光線穿透指尖（生物組織）並到達內層。一些光被水和生物物質吸收，以衰減狀態返回感測器。使用光學半導體的生物感測器測量各種波長的光。它們通過測量光吸收量來檢測目標物質。

迪睿合開發了各種專為穿戴式裝置整合而設計的生物感測器組件。接下來，我們將詳細介紹這些產品。

雙波長探測器（KP-2系列）

Dexerials 的雙波長探測器 採用獨特的設計。它將矽基和 InGaAs 基光電二極體結合在同一封裝中，具有不同的帶隙。這樣就可以在單個光軸上400-1700 nm的寬波長範圍內進行檢測。

材料成分：
・ 矽基光電二極體：可見光/近紅外區域 （400-1000 nm）
・ 基於 InGaAs 的光電二極管：紅外/近紅外區域 （900-1700 nm）

葡萄糖和血紅蛋白等血液生物標記會在特定波長下反應。這需要在較寬的光譜範圍內進行檢測。透過這項創新，我們實現了在單一封裝設備中同時檢測多種生物標記。此前，每種標誌物都需要單獨的感測器。 *水在1450nm處有強烈吸收，葡萄糖在1600nm處有強烈吸收，氧合血紅素在940nm處有強烈吸收，還原血紅素在660nm處有強烈吸收。

此外，這種單封裝實作實現了超緊湊的尺寸：厚度為 1.1 mm、寬度為 4 mm、長度為 5.7 mm。這種小型化可以整合到智慧手錶等穿戴式裝置中。這項雙波長探測器代表了材料科學和半導體技術相結合的突破。

這款雙波長探測器專為測量血氧飽和度和一氧化碳水平的脈搏血氧儀以及非侵入式血糖監測儀等設備而設計。由於其波長覆蓋範圍廣，除了醫療保健用途外，它還可能應用於光通訊設備和5G通訊設備。

SWIR型反射感測器

迪睿合的另一款醫療和可穿戴應用產品是“ SWIR型反射式感測器”。SWIR波長範圍為900-1700nm。由於該範圍很容易被水、葡萄糖和血紅蛋白吸收，因此它在生物感測器應用中正在取得進展。

該感測器的主要特點在於其緊湊的封裝設計，將發射SWIR光的LED和捕捉反射光的PD整合在一個單元中。另一個顯著優勢是它能夠根據目標生物標記適應各種波長。

雙元件型採用 1450 nm LED 來感測水分含量。三元件型則配備 810 nm 和 1300 nm LED，用於測量血液中的血球比容水平。

利用穿戴式裝置的生物感測技術正在持續發展。隨著感測器技術和人工智慧分析的發展，更精準的即時生物數據採集正在成為可能。這些技術創新有望為醫療進步帶來新的可能性。

在 Dexerials，我們旨在透過開發增強各種感測器功能的產品來為全球健康做出貢獻。