Koja je uloga dioda u praćenju otkucaja srca pametnih narukvica?

1, princip PPG tehnologije: osnovni mehanizam dioda
Praćenje otkucaja srca pametnih narukvica uglavnom se temelji na PPG tehnologiji, a njegov osnovni proces uključuje četiri koraka: emisiju izvora svjetlosti, prodiranje i refleksiju svjetlosnog signala, prijem svjetlosnog signala i obradu signala. U ovom procesu, diode igraju dvostruku ulogu emisije izvora svjetlosti i prijema svjetlosnog signala:

Emisija izvora svetlosti: LED dioda (obično zeleno svetlo, talasne dužine 530nm) ugrađena u narukvicu redovno emituje svetlost koja prodire u kožu. Zeleno svjetlo efikasno apsorbira hemoglobin u krvi, dok se neapsorbirana svjetlost reflektuje natrag na površinu kože. Ovaj odabir valne dužine temelji se na jakim karakteristikama apsorpcije krvi prema zelenom svjetlu, što može maksimizirati kontrast signala.
Prijem optičkog signala: fotodiode (kao što je Vishay VEMD2704) su odgovorne za primanje reflektovanih optičkih signala i njihovo pretvaranje u električne signale. Kada srce pumpa krv, volumen arterijske žile se periodično mijenja, uzrokujući fluktuacije u intenzitetu reflektirane svjetlosti. Fotodiode generiraju električne signale sinkronizirane sa otkucajima srca hvatajući ove suptilne promjene u intenzitetu svjetlosti.
Obrada signala: Ugrađeni-čip narukvice filtrira, pojačava i analizira električni signal koristeći algoritame, na kraju izračunavajući vrijednost otkucaja srca. Na primjer, Xiaomi Mi Band 7 postiže elektrostatičku zaštitu putem TVS diode (ESD5641D12) upakovane u DFN2x2-3L, osiguravajući stabilnost prijenosa signala.

2, Odabir uređaja: prilagođavanje performansama i scenarijima
Performanse fotodioda direktno određuju tačnost i pouzdanost praćenja otkucaja srca. U praktičnim primjenama, sljedeće ključne parametre treba sveobuhvatno razmotriti:

Opseg odziva talasne dužine: Praćenje otkucaja srca treba da pokrije pojas zelenog svetla (530nm), dok praćenje kiseonika u krvi treba da podržava i crveno svetlo (660nm) i infracrveno svetlo (940nm). Neke vrhunske{4}}narukvice, kao što je Apple Watch, koriste fotodiode sa više talasnih dužina kako bi postigli sinhrono praćenje otkucaja srca i kiseonika u krvi analizom razlika u apsorpciji svetlosti na različitim talasnim dužinama.
Osjetljivost i omjer signala-/-: U pokretu, intenzitet refleksije svjetlosti na površini kože dramatično fluktuira, što zahtijeva da fotodiode imaju visoku osjetljivost za hvatanje slabih signala. Vishay-ov VEMD2704 poboljšava omjer signala-i-odnosa na više od dva puta u odnosu na tradicionalne uređaje optimizirajući krivulju odziva na infracrveno svjetlo, efikasno smanjujući smetnje artefakta pokreta.
Veličina pakovanja i potrošnja energije: Pametne narukvice imaju stroge zahtjeve za minijaturizaciju uređaja i nisku potrošnju energije. Na primjer, VEMD2704 usvaja mikro paket od 1,8 mm × 2,0 mm sa potrošnjom energije od samo 0,1 mW, koji može zadovoljiti zahtjeve trajanja baterije narukvice do 7 dana.

3, Izazov primjene: Interferencija okolišnih i fizioloških faktora
Unatoč visokoj zrelosti PPG tehnologije, ona se i dalje suočava s višestrukim izazovima u praktičnoj upotrebi, koje treba riješiti kombinacijom odabira dioda i optimizacije algoritama

Interferencija svjetlosti okoline: Jaka svjetlost (kao što je sunčeva svjetlost) može uzrokovati zasićenje fotodioda, što dovodi do izobličenja signala. Rješenje uključuje:
Koristeći uskopojasne filtere, dozvoljeno je da prođe samo ciljna talasna dužina (kao što je 530nm);
Dinamički prilagodite LED pogonsku struju kako biste uravnotežili snagu signala i svjetlosne efekte okoline.
Artefakt pokreta: Zamah ruke ili kontrakcija mišića mogu promijeniti put svjetlosti na površini kože, uzrokujući fluktuacije signala. Na primjer, podaci o pulsu na narukvici mogu biti privremeno nenormalni tokom trčanja. Pravci optimizacije uključuju:
Odaberite fotodiode sa jakom sposobnošću protiv -smetanja (kao što su kondenzatori niskog spoja);
Kombinujući podatke senzora ubrzanja, eliminišite smetnje kretanja putem algoritama.
Razlike na koži: Tamna koža ili tetovaže mogu smanjiti efikasnost refleksije svjetlosti i utjecati na preciznost praćenja. Neke narukvice ublažavaju ovaj problem povećanjem snage pokretanja LED dioda ili korištenjem izvora svjetlosti s više valnih dužina (kao što su crveno i zeleno svjetlo).

4, Tehnička optimizacija: Inovacija od uređaja do sistema
Da bi se poboljšala tačnost praćenja srčane frekvencije u medicinskom nivou, industrija promoviše tehnološke nadogradnje sa dva nivoa: dizajn uređaja i sistemska integracija

Inovacija uređaja:
Integracija sa više talasnih dužina: Na primer, ROHM-ova BPW34 fotodioda integriše zelene, crvene i infracrvene senzore na jednom čipu kako bi se postiglo sinhrono praćenje otkucaja srca, kiseonika u krvi i krvnog pritiska.
Fleksibilna podloga: 3D tečna dioda (3D LD) tehnologija koju je predložio City University of Hong Kong postiže jednosmjerni prijenos znoja i poboljšanu prozračnost konstruiranjem heterogenih mikrostruktura za vlaženje, rješavajući problem odstupanja signala uzrokovan nakupljanjem znoja u tradicionalnim narukvicama.
Optimizacija algoritma:
Model dubokog učenja: Huawei GT serija narukvica koristi konvolucione neuronske mreže (CNN) za analizu karakteristika valnog oblika PPG signala, razlikovanje između stvarne brzine otkucaja srca i artefakata pokreta i smanjenje statičkih grešaka otkucaja srca na ± 1bpm.
Fuzija više senzora: Kombinacija EKG elektroda sa PPG senzorima, kalibracija podataka o pulsu upoređivanjem vremenskog kašnjenja EKG signala i optičkih signala i poboljšanje preciznosti u dinamičkim scenama.