Aká je úloha diód pri monitorovaní tepovej frekvencie inteligentných náramkov?

1, princíp technológie PPG: hlavný mechanizmus diód
Monitorovanie srdcovej frekvencie inteligentných náramkov je založené hlavne na technológii PPG a jeho základný proces zahŕňa štyri kroky: vyžarovanie svetelného zdroja, prienik a odraz svetelného signálu, príjem svetelného signálu a spracovanie signálu. V tomto procese zohrávajú diódy dvojitú úlohu pri vyžarovaní svetelného zdroja a prijímaní svetelného signálu:

Vyžarovanie svetelného zdroja: LED dióda (zvyčajne zelené svetlo, vlnová dĺžka 530nm) zabudovaná do náramku pravidelne vyžaruje svetlo, ktoré preniká do pokožky. Zelené svetlo je účinne absorbované hemoglobínom v krvi, zatiaľ čo neabsorbované svetlo sa odráža späť na povrch kože. Tento výber vlnovej dĺžky je založený na silných absorpčných charakteristikách krvi smerom k zelenému svetlu, čo môže maximalizovať kontrast signálu.
Príjem optického signálu: Fotodiódy (ako napríklad VEMD2704 od Vishay) sú zodpovedné za príjem odrazených optických signálov a ich premenu na elektrické signály. Keď srdce pumpuje krv, objem arteriálnej cievy sa periodicky mení, čo spôsobuje kolísanie intenzity odrazeného svetla. Fotodiódy generujú elektrické signály synchronizované so srdcovou frekvenciou tým, že zachytávajú tieto jemné zmeny intenzity svetla.
Spracovanie signálu: Vstavaný-čip náramku filtruje, zosilňuje a analyzuje elektrický signál pomocou algoritmov a nakoniec vypočítava hodnotu srdcového tepu. Napríklad Xiaomi Mi Band 7 dosahuje elektrostatickú ochranu prostredníctvom diódy TVS (ESD5641D12) zabalenej v DFN2x2-3L, ktorá zaisťuje stabilitu prenosu signálu.

2, Výber zariadenia: prispôsobenie výkonu a scenárom
Výkon fotodiód priamo určuje presnosť a spoľahlivosť monitorovania srdcovej frekvencie. V praktických aplikáciách je potrebné komplexne zvážiť tieto kľúčové parametre:

Rozsah odozvy vlnovej dĺžky: Monitorovanie srdcovej frekvencie musí pokryť pásmo zeleného svetla (530 nm), zatiaľ čo monitorovanie kyslíka v krvi musí podporovať červené svetlo (660 nm) aj infračervené svetlo (940 nm). Niektoré-náramky vyššej kategórie, ako napríklad Apple Watch, používajú fotodiódy s viacerými vlnovými dĺžkami na dosiahnutie synchrónneho monitorovania srdcovej frekvencie a kyslíka v krvi analýzou rozdielov v absorpcii svetla pri rôznych vlnových dĺžkach.
Citlivosť a pomer signálu-k{1}}šumu: Pri pohybe intenzita odrazu svetla na povrchu pokožky dramaticky kolíše, čo si vyžaduje vysokú citlivosť fotodiód na zachytenie slabých signálov. Vishay VEMD2704 zlepšuje pomer signálu-k-šumu na viac ako dvojnásobok oproti tradičným zariadeniam optimalizáciou krivky odozvy infračerveného svetla, čím účinne znižuje rušenie pohybových artefaktov.
Veľkosť balenia a spotreba energie: Inteligentné náramky majú prísne požiadavky na miniaturizáciu zariadenia a nízku spotrebu energie. Napríklad VEMD2704 používa mikro balenie 1,8 mm × 2,0 mm so spotrebou energie iba 0,1 mW, čo môže splniť požiadavku na výdrž batérie náramku až na 7 dní.

3, Aplikačná výzva: Interferencia z environmentálnych a fyziologických faktorov
Napriek vysokej vyspelosti technológie PPG stále čelí mnohým výzvam v praktickom používaní, ktoré je potrebné riešiť kombináciou výberu diód a optimalizácie algoritmu.

Rušenie okolitého svetla: Silné svetlo (napríklad slnečné svetlo) môže spôsobiť saturáciu fotodiód, čo vedie k skresleniu signálu. Riešenie zahŕňa:
Pri použití úzkopásmových filtrov môže prejsť len cieľová vlnová dĺžka (napríklad 530 nm);
Dynamicky upravujte budiaci prúd LED, aby ste vyvážili silu signálu a svetelné efekty prostredia.
Pohybový artefakt: Švihnutie paží alebo svalová kontrakcia môže zmeniť dráhu svetla na povrchu kože a spôsobiť kolísanie signálu. Napríklad údaje o srdcovej frekvencii náramku môžu byť počas behu dočasne abnormálne. Pokyny na optimalizáciu zahŕňajú:
Vyberte si fotodiódy so silnou{0}}schopnosťou rušiť rušenie (ako sú kondenzátory s nízkym prechodom);
Kombináciou údajov snímača zrýchlenia eliminujete rušenie pohybu pomocou algoritmov.
Kožné rozdiely: Tmavá pokožka alebo tetovanie môžu znížiť účinnosť odrazu svetla a ovplyvniť presnosť monitorovania. Niektoré náramky tento problém zmierňujú zvýšením hnacieho výkonu LED alebo použitím svetelných zdrojov s viacerými vlnovými dĺžkami (ako je červené a zelené svetlo).

4, Technická optimalizácia: Inovácia od zariadení k systémom
Na zlepšenie lekárskej presnosti monitorovania srdcovej frekvencie priemysel podporuje technologické inovácie z dvoch úrovní: dizajn zariadenia a systémová integrácia

Inovácia zariadenia:
Integrácia viacerých vlnových dĺžok: Napríklad fotodióda ROHM BPW34 integruje zelené, červené a infračervené senzory na jednom čipe, aby sa dosiahlo synchrónne monitorovanie srdcovej frekvencie, kyslíka v krvi a krvného tlaku.
Flexibilný substrát: Technológia 3D tekutej diódy (3D LD) navrhnutá City University of Hong Kong dosahuje jednosmerný prenos potu a zlepšenú priedušnosť konštrukciou heterogénnych zmáčacích mikroštruktúr, čím sa rieši problém posunu signálu spôsobený akumuláciou potu v tradičných náramkoch.
Optimalizácia algoritmu:
Model hlbokého učenia: Náramky Huawei série GT využívajú konvolučné neurónové siete (CNN) na analýzu charakteristík kriviek signálov PPG, rozlišovanie medzi skutočnou srdcovou frekvenciou a pohybovými artefaktmi a na zníženie chýb statickej srdcovej frekvencie na ± 1 bpm.
Fúzia viacerých senzorov: Kombinácia elektród EKG so senzormi PPG, kalibrácia údajov o srdcovej frekvencii porovnaním časového oneskorenia signálov EKG a optických signálov a zlepšenie presnosti v dynamických scénach.