Jaka jest rola diod w monitorowaniu tętna w inteligentnych opaskach na rękę?

1, zasada technologii PPG: podstawowy mechanizm diod
Monitorowanie tętna inteligentnych opasek opiera się głównie na technologii PPG, a jego podstawowy proces obejmuje cztery etapy: emisję źródła światła, penetrację i odbicie sygnału świetlnego, odbiór sygnału świetlnego i przetwarzanie sygnału. Diody pełnią w tym procesie podwójną rolę: emisji źródła światła i odbioru sygnału świetlnego:

Emisja źródła światła: Dioda LED (zwykle światło zielone, długość fali 530nm) wbudowana w opaskę regularnie emituje światło wnikające w skórę. Zielone światło jest skutecznie pochłaniane przez hemoglobinę znajdującą się we krwi, natomiast niezaabsorbowane światło jest odbijane z powrotem na powierzchnię skóry. Ten wybór długości fali opiera się na silnych właściwościach absorpcji krwi w kierunku światła zielonego, co może zmaksymalizować kontrast sygnału.
Odbiór sygnału optycznego: Fotodiody (takie jak VEMD2704 firmy Vishay) są odpowiedzialne za odbieranie odbitych sygnałów optycznych i przekształcanie ich w sygnały elektryczne. Kiedy serce pompuje krew, objętość naczyń tętniczych zmienia się okresowo, powodując wahania natężenia odbitego światła. Fotodiody generują sygnały elektryczne zsynchronizowane z tętnem, wychwytując subtelne zmiany natężenia światła.
Przetwarzanie sygnału:-wbudowany chip w opasce filtruje, wzmacnia i analizuje sygnał elektryczny za pomocą algorytmów, ostatecznie obliczając wartość tętna. Na przykład Xiaomi Mi Band 7 osiąga ochronę elektrostatyczną poprzez diodę TVS (ESD5641D12) opakowaną w DFN2x2-3L, zapewniającą stabilność transmisji sygnału.

2, Wybór urządzenia: dostosowanie do wydajności i scenariuszy
Wydajność fotodiod bezpośrednio determinuje dokładność i niezawodność monitorowania tętna. W zastosowaniach praktycznych należy kompleksowo uwzględnić następujące kluczowe parametry:

Zakres reakcji długości fali: Monitorowanie tętna musi obejmować pasmo światła zielonego (530 nm), podczas gdy monitorowanie tlenu we krwi musi obsługiwać zarówno światło czerwone (660 nm), jak i światło podczerwone (940 nm). Niektóre-z najwyższej półki opaski na rękę, takie jak Apple Watch, wykorzystują fotodiody o wielu długościach fal, aby zapewnić synchroniczne monitorowanie tętna i poziomu tlenu we krwi poprzez analizę różnic w absorpcji światła przy różnych długościach fal.
Czułość i stosunek sygnału-do-szumu: w ruchu intensywność odbicia światła od powierzchni skóry zmienia się dramatycznie, co wymaga dużej czułości fotodiod do wychwytywania słabych sygnałów. Urządzenie VEMD2704 firmy Vishay poprawia stosunek sygnału-do-szumu ponad dwukrotnie w porównaniu z tradycyjnymi urządzeniami, optymalizując krzywą reakcji światła podczerwonego, skutecznie redukując zakłócenia związane z artefaktami ruchu.
Rozmiar opakowania i zużycie energii: Inteligentne opaski mają rygorystyczne wymagania dotyczące miniaturyzacji urządzeń i niskiego zużycia energii. Na przykład VEMD2704 wykorzystuje mikropakiet o wymiarach 1,8 mm × 2,0 mm i zużyciu energii zaledwie 0,1 mW, co pozwala spełnić wymagania dotyczące żywotności baterii opaski na rękę do 7 dni.

3, Wyzwanie aplikacyjne: Zakłócenia ze strony czynników środowiskowych i fizjologicznych
Pomimo wysokiej dojrzałości technologii PPG, nadal stoi ona przed wieloma wyzwaniami w praktycznym zastosowaniu, którym należy sprostać poprzez połączenie doboru diod i optymalizacji algorytmu

Zakłócenia światła otoczenia: Silne światło (takie jak światło słoneczne) może powodować nasycenie fotodiod, co prowadzi do zniekształcenia sygnału. Rozwiązanie obejmuje:
W przypadku filtrów wąskopasmowych przepuszczana jest tylko docelowa długość fali (np. 530 nm);
Dynamicznie dostosowuj prąd zasilający diodę LED, aby zrównoważyć siłę sygnału i efekty świetlne otoczenia.
Artefakt ruchowy: Machanie ramieniem lub skurcz mięśni może zmienić ścieżkę światła na powierzchni skóry, powodując wahania sygnału. Na przykład dane dotyczące tętna zapisane na opasce mogą chwilowo działać nieprawidłowo podczas biegu. Kierunki optymalizacji obejmują:
Wybierz fotodiody o silnych właściwościach przeciw-zakłóceniom (takie jak kondensatory dolnozłączowe);
Łącząc dane z czujnika przyspieszenia, wyeliminuj zakłócenia ruchu za pomocą algorytmów.
Różnice między skórą: Ciemna skóra lub tatuaże mogą zmniejszać skuteczność odbijania światła i wpływać na dokładność monitorowania. Niektóre opaski łagodzą ten problem, zwiększając moc diod LED lub wykorzystując źródła światła o wielu długościach fal (takich jak światło czerwone i zielone).

4, Optymalizacja techniczna: innowacje od urządzeń do systemów
Aby poprawić dokładność monitorowania tętna na poziomie medycznym, branża promuje ulepszenia technologiczne na dwóch poziomach: projektowania urządzenia i integracji systemu

Innowacja urządzenia:
Integracja wielu długości fali: na przykład fotodioda BPW34 firmy ROHM integruje czujniki koloru zielonego, czerwonego i podczerwieni w jednym chipie, aby uzyskać synchroniczne monitorowanie tętna, poziomu tlenu we krwi i ciśnienia krwi.
Elastyczne podłoże: Technologia 3D liquid diode (3D LD) zaproponowana przez City University of Hong Kong zapewnia jednokierunkową transmisję potu i lepszą oddychalność poprzez konstruowanie heterogenicznych mikrostruktur zwilżających, rozwiązując problem dryfu sygnału spowodowany gromadzeniem się potu w tradycyjnych opaskach na rękę.
Optymalizacja algorytmu:
Model głębokiego uczenia się: opaski na nadgarstek z serii Huawei GT wykorzystują splotowe sieci neuronowe (CNN) do analizy charakterystyki kształtu fali sygnałów PPG, rozróżniania między artefaktami rzeczywistego tętna a artefaktami ruchu oraz redukują błędy statycznego tętna z dokładnością do ± 1 uderzeń na minutę.
Fuzja wielu czujników: połączenie elektrod EKG z czujnikami PPG, kalibracja danych tętna poprzez porównanie opóźnienia czasowego sygnałów EKG i sygnałów optycznych oraz poprawa dokładności w dynamicznych scenach.