Koja je uloga dioda u praćenju otkucaja srca pametnih narukvica?

1, PPG princip tehnologije: jezgreni mehanizam dioda
Praćenje otkucaja srca pametnih narukvica uglavnom se temelji na PPG tehnologiji, a njegov temeljni proces uključuje četiri koraka: emisiju izvora svjetlosti, prodor i refleksiju svjetlosnog signala, prijem svjetlosnog signala i obradu signala. U ovom procesu diode imaju dvostruku ulogu emitiranja izvora svjetlosti i primanja svjetlosnog signala:

Emisija izvora svjetlosti: LED dioda (obično zeleno svjetlo, valna duljina 530 nm) ugrađena u narukvicu redovito emitira svjetlost koja prodire kroz kožu. Zeleno svjetlo učinkovito apsorbira hemoglobin u krvi, dok se neapsorbirano svjetlo reflektira natrag na površinu kože. Ovaj odabir valne duljine temelji se na snažnim karakteristikama apsorpcije krvi prema zelenom svjetlu, što može povećati kontrast signala.
Prijem optičkog signala: fotodiode (kao što je Vishayev VEMD2704) odgovorne su za primanje reflektiranih optičkih signala i njihovo pretvaranje u električne signale. Kada srce pumpa krv, volumen arterijske žile se povremeno mijenja, uzrokujući fluktuacije u intenzitetu reflektirane svjetlosti. Fotodiode generiraju električne signale sinkronizirane s otkucajima srca hvatajući te suptilne promjene u intenzitetu svjetla.
Obrada signala: ugrađen-čip narukvice filtrira, pojačava i analizira električni signal pomoću algoritama, u konačnici izračunavajući vrijednost otkucaja srca. Na primjer, Xiaomi Mi Band 7 postiže elektrostatičku zaštitu putem TVS diode (ESD5641D12) pakirane u DFN2x2-3L, osiguravajući stabilnost prijenosa signala.

2, Odabir uređaja: prilagodba performansama i scenarijima
Rad fotodioda izravno određuje točnost i pouzdanost praćenja otkucaja srca. U praktičnim primjenama potrebno je sveobuhvatno razmotriti sljedeće ključne parametre:

Raspon odziva valne duljine: Praćenje otkucaja srca mora pokriti pojas zelene svjetlosti (530 nm), dok praćenje kisika u krvi mora podržavati i crveno svjetlo (660 nm) i infracrveno svjetlo (940 nm). Neke-vrhunske narukvice, kao što je Apple Watch, koriste fotodiode s više valnih duljina za postizanje sinkronog praćenja otkucaja srca i kisika u krvi analizom razlika u apsorpciji svjetla na različitim valnim duljinama.
Osjetljivost i omjer signala-i-šuma: pod kretanjem, intenzitet refleksije svjetlosti na površini kože dramatično varira, zahtijevajući da fotodiode imaju visoku osjetljivost za hvatanje slabih signala. Vishayev VEMD2704 poboljšava omjer signala-na-šum na više nego dvostruko veći od tradicionalnih uređaja optimiziranjem krivulje odgovora na infracrveno svjetlo, učinkovito smanjujući smetnje od artefakata kretanja.
Veličina paketa i potrošnja energije: Pametne narukvice imaju stroge zahtjeve za minijaturizacijom uređaja i niskom potrošnjom energije. Na primjer, VEMD2704 usvaja mikropaket od 1,8 mm × 2,0 mm s potrošnjom energije od samo 0,1 mW, što može zadovoljiti uvjet trajanja baterije narukvice do 7 dana.

3, Izazov primjene: smetnje uzrokovane okolišnim i fiziološkim čimbenicima
Unatoč visokoj zrelosti PPG tehnologije, ona se još uvijek suočava s višestrukim izazovima u praktičnoj uporabi, koje je potrebno riješiti kombinacijom odabira dioda i optimizacije algoritma

Smetnje svjetla iz okoline: Jaka svjetlost (kao što je sunčeva svjetlost) može uzrokovati zasićenje fotodioda, što dovodi do izobličenja signala. Rješenje uključuje:
Korištenjem uskopojasnih filtara dopušten je prolaz samo ciljne valne duljine (kao što je 530 nm);
Dinamički prilagodite struju pokretanja LED-a kako biste uravnotežili snagu signala i svjetlosne učinke okoline.
Artefakt pokreta: Zamah ruke ili kontrakcija mišića može promijeniti putanju svjetlosti na površini kože, uzrokujući fluktuacije signala. Na primjer, podaci o otkucajima srca na narukvici mogu biti privremeno nenormalni tijekom trčanja. Upute za optimizaciju uključuju:
Odaberite fotodiode s jakim anti{0}}smetnjama (kao što su kondenzatori s niskim spojem);
Kombinirajući podatke senzora ubrzanja, eliminirajte smetnje kretanja putem algoritama.
Razlike u koži: tamna koža ili tetovaže mogu smanjiti učinkovitost refleksije svjetlosti i utjecati na točnost praćenja. Neke narukvice ublažavaju ovaj problem povećanjem pogonske snage LED dioda ili korištenjem izvora svjetla s više valnih duljina (kao što su crveno i zeleno svjetlo).

4, Tehnička optimizacija: Inovacije od uređaja do sustava
Kako bi se poboljšala točnost medicinske razine praćenja otkucaja srca, industrija promiče tehnološke nadogradnje s dvije razine: dizajn uređaja i integracija sustava

Inovacija uređaja:
Integracija s više valnih duljina: Na primjer, ROHM-ova fotodioda BPW34 integrira zelene, crvene i infracrvene senzore na jednom čipu kako bi se postiglo sinkrono praćenje otkucaja srca, kisika u krvi i krvnog tlaka.
Fleksibilna podloga: Tehnologija 3D tekuće diode (3D LD) koju je predložilo Gradsko sveučilište u Hong Kongu postiže jednosmjerni prijenos znoja i poboljšanu prozračnost izgradnjom heterogenih vlažnih mikrostruktura, rješavajući problem pomicanja signala uzrokovan nakupljanjem znoja u tradicionalnim narukvicama.
Optimizacija algoritma:
Model dubokog učenja: narukvice serije Huawei GT koriste konvolucijske neuronske mreže (CNN) za analizu karakteristika valnog oblika PPG signala, razliku između stvarnog otkucaja srca i artefakata pokreta i smanjuju statičke pogreške otkucaja srca unutar ± 1 otkucaja u minuti.
Fuzija više senzora: Kombinacija EKG elektroda s PPG senzorima, kalibracija podataka o otkucajima srca usporedbom vremenskog kašnjenja EKG signala i optičkih signala, te poboljšanje točnosti u dinamičnim scenama.