Яка роль діодів у моніторингу серцевого ритму смарт-браслетів?

1, принцип технології PPG: основний механізм діодів
Моніторинг серцевого ритму розумних браслетів в основному базується на технології PPG, і його основний процес включає чотири етапи: випромінювання джерела світла, проникнення та відбиття світлового сигналу, прийом світлового сигналу та обробка сигналу. У цьому процесі діоди відіграють подвійну роль: випромінювання джерела світла та прийом світлового сигналу:

Випромінювання джерела світла: світлодіод (зазвичай зелене світло, довжина хвилі 530 нм), вбудований у браслет, регулярно випромінює світло, яке проникає через шкіру. Зелене світло ефективно поглинається гемоглобіном крові, тоді як непоглинуте світло відбивається назад на поверхню шкіри. Цей вибір довжини хвилі ґрунтується на сильних характеристиках поглинання крові зеленого світла, що може максимізувати контраст сигналу.
Прийом оптичного сигналу: фотодіоди (такі як VEMD2704 Vishay) відповідають за прийом відбитих оптичних сигналів і перетворення їх в електричні сигнали. Коли серце перекачує кров, об’єм артеріальної судини періодично змінюється, викликаючи коливання інтенсивності відбитого світла. Фотодіоди генерують електричні сигнали, синхронізовані з частотою серцевих скорочень, фіксуючи ці тонкі зміни інтенсивності світла.
Обробка сигналу: вбудований-чіп браслета фільтрує, підсилює та аналізує електричний сигнал за допомогою алгоритмів, остаточно обчислюючи значення частоти серцевих скорочень. Наприклад, Xiaomi Mi Band 7 забезпечує електростатичний захист за допомогою діода TVS (ESD5641D12), упакованого в DFN2x2-3L, що забезпечує стабільність передачі сигналу.

2, Вибір пристрою: адаптація до продуктивності та сценаріїв
Продуктивність фотодіодів безпосередньо визначає точність і надійність моніторингу пульсу. У практичних застосуваннях необхідно всебічно враховувати наступні ключові параметри:

Діапазон відповіді на довжину хвилі: моніторинг частоти серцевих скорочень має охоплювати смугу зеленого світла (530 нм), тоді як моніторинг кисню в крові має підтримувати як червоне світло (660 нм), так і інфрачервоне світло (940 нм). Деякі- браслети високого класу, як-от Apple Watch, використовують багатохвильові фотодіоди для досягнення синхронного моніторингу частоти серцевих скорочень і вмісту кисню в крові шляхом аналізу відмінностей у поглинанні світла на різних довжинах хвиль.
Чутливість і відношення сигнал-до-шуму: під час руху інтенсивність відбиття світла від поверхні шкіри різко коливається, що вимагає високої чутливості фотодіодів, щоб уловлювати слабкі сигнали. VEMD2704 від Vishay покращує відношення-до-шуму більш ніж у два рази, ніж у традиційних пристроїв, завдяки оптимізації кривої реакції на інфрачервоне світло, ефективно зменшуючи перешкоди від артефактів руху.
Розмір упаковки та енергоспоживання: смарт-браслети мають суворі вимоги до мініатюрності пристрою та низького енергоспоживання. Наприклад, VEMD2704 використовує мікропакет розміром 1,8 мм × 2,0 мм із споживаною потужністю лише 0,1 мВт, що відповідає вимогам щодо терміну служби батареї браслета до 7 днів.

3, Завдання застосування: вплив факторів навколишнього середовища та фізіологічних факторів
Незважаючи на високу зрілість технології PPG, вона все ще стикається з численними проблемами під час практичного використання, які необхідно вирішити шляхом поєднання вибору діода та оптимізації алгоритму

Перешкоди зовнішнього світла: сильне світло (наприклад, сонячне світло) може спричинити насичення фотодіодів, що призведе до спотворення сигналу. Рішення включає:
Використовуючи вузькосмугові фільтри, пропускається лише цільова довжина хвилі (наприклад, 530 нм);
Динамічно регулюйте світлодіодний струм, щоб збалансувати силу сигналу та світлові ефекти навколишнього середовища.
Артефакт руху: помах рукою або скорочення м’язів може змінити шлях світла на поверхні шкіри, викликаючи коливання сигналу. Наприклад, дані про частоту серцевих скорочень браслета можуть бути тимчасово ненормальними під час бігу. Напрямки оптимізації включають:
Вибирайте фотодіоди з сильною -інтерференційною здатністю (наприклад, конденсатори з низьким рівнем переходу);
Поєднуючи дані датчика прискорення, усувайте перешкоди руху за допомогою алгоритмів.
Відмінності шкіри: темна шкіра або татуювання можуть зменшити ефективність відбиття світла та вплинути на точність моніторингу. Деякі браслети усувають цю проблему, збільшуючи потужність світлодіодів або використовуючи джерела світла з кількома довжинами хвилі (наприклад, червоне та зелене світло).

4, Технічна оптимізація: інновації від пристроїв до систем
Щоб підвищити медичну точність моніторингу серцевого ритму, галузь просуває технологічні оновлення на двох рівнях: дизайн пристрою та системна інтеграція

Інновації пристрою:
Інтеграція з різними довжинами хвиль: наприклад, фотодіод ROHM BPW34 інтегрує зелений, червоний та інфрачервоний датчики на одному чіпі для досягнення синхронного моніторингу частоти серцевих скорочень, кисню в крові та артеріального тиску.
Гнучка підкладка: технологія тривимірного рідкого діода (3D LD), запропонована Міським університетом Гонконгу, забезпечує односпрямовану пропускання поту та покращує повітропроникність шляхом створення неоднорідних зволожуючих мікроструктур, вирішуючи проблему дрейфу сигналу, викликану накопиченням поту в традиційних браслетах.
Оптимізація алгоритму:
Модель глибокого навчання: браслети серії Huawei GT використовують згорточні нейронні мережі (CNN) для аналізу характеристик сигналів PPG, розрізнення реального пульсу та артефактів руху та зменшення статичних помилок серцевого ритму в межах ± 1 уд/хв.
Об’єднання кількох датчиків: поєднання електродів ЕКГ із датчиками PPG, калібрування даних частоти серцевих скорочень шляхом порівняння часу затримки сигналів ЕКГ і оптичних сигналів, а також підвищення точності в динамічних сценах.