Какова роль диодов в мониторинге сердечного ритма умных браслетов?

1. Принцип технологии PPG: основной механизм диодов.
Мониторинг сердечного ритма в умных браслетах в основном основан на технологии PPG, и его основной процесс включает в себя четыре этапа: излучение источника света, проникновение и отражение светового сигнала, прием светового сигнала и обработка сигнала. В этом процессе диоды играют двойную роль: излучают источник света и принимают световой сигнал:

Излучение источника света: светодиод (обычно зеленого цвета, длина волны 530 нм), встроенный в браслет, регулярно излучает свет, проникающий через кожу. Зеленый свет эффективно поглощается гемоглобином в крови, а непоглощенный свет отражается обратно на поверхность кожи. Выбор длины волны основан на сильных характеристиках поглощения кровью зеленого света, что позволяет максимизировать контрастность сигнала.
Прием оптического сигнала. Фотодиоды (например, VEMD2704 компании Vishay) отвечают за прием отраженных оптических сигналов и преобразование их в электрические сигналы. Когда сердце перекачивает кровь, объем артериальных сосудов периодически меняется, вызывая колебания интенсивности отраженного света. Фотодиоды генерируют электрические сигналы, синхронизированные с частотой сердечных сокращений, улавливая эти тонкие изменения интенсивности света.
Обработка сигнала. Встроенный-чип браслета фильтрует, усиливает и анализирует электрический сигнал с помощью алгоритмов, в конечном итоге рассчитывая значение частоты пульса. Например, Xiaomi Mi Band 7 обеспечивает электростатическую защиту с помощью TVS-диода (ESD5641D12), упакованного в DFN2x2-3L, обеспечивая стабильность передачи сигнала.

2. Выбор устройства: адаптация к производительности и сценариям.
Производительность фотодиодов напрямую определяет точность и надежность мониторинга сердечного ритма. В практических приложениях необходимо всесторонне учитывать следующие ключевые параметры:

Диапазон реагирования на длину волны: мониторинг сердечного ритма должен охватывать диапазон зеленого света (530 нм), а мониторинг кислорода в крови должен поддерживать как красный свет (660 нм), так и инфракрасный свет (940 нм). В некоторых-браслетах высокого класса, таких как Apple Watch, используются многоволновые фотодиоды для синхронного мониторинга частоты сердечных сокращений и уровня кислорода в крови путем анализа различий в поглощении света на разных длинах волн.
Чувствительность и соотношение-/-шум. При движении интенсивность отражения света от поверхности кожи резко колеблется, поэтому фотодиодам требуется высокая чувствительность для улавливания слабых сигналов. VEMD2704 от Vishay улучшает соотношение сигнал-/-шум более чем в два раза по сравнению с традиционными устройствами за счет оптимизации кривой отклика инфракрасного света, что эффективно снижает помехи от артефактов движения.
Размер упаковки и энергопотребление. К умным браслетам предъявляются строгие требования по миниатюризации устройства и низкому энергопотреблению. Например, в VEMD2704 используется микрокорпус размером 1,8 × 2,0 мм с потребляемой мощностью всего 0,1 мВт, что обеспечивает время автономной работы браслета до 7 дней.

3. Проблема применения: влияние факторов окружающей среды и физиологических факторов.
Несмотря на высокую зрелость технологии PPG, она по-прежнему сталкивается с множеством проблем при практическом использовании, которые необходимо решать путем сочетания выбора диода и оптимизации алгоритма.

Помехи от окружающего света: сильный свет (например, солнечный свет) может вызвать насыщение фотодиодов, что приведет к искажению сигнала. Решение включает в себя:
При использовании узкополосных фильтров допускается прохождение только целевой длины волны (например, 530 нм);
Динамически регулируйте ток возбуждения светодиодов, чтобы сбалансировать мощность сигнала и световые эффекты окружающей среды.
Артефакт движения: покачивание руки или сокращение мышц могут изменить путь света на поверхности кожи, вызывая колебания сигнала. Например, данные о частоте пульса на браслете могут временно отклоняться от нормы во время бега. Направления оптимизации включают в себя:
Выбирайте фотодиоды с сильной защитой от-помех (например, конденсаторы с низким уровнем перехода);
Объединение данных датчика ускорения позволяет устранить помехи движения с помощью алгоритмов.
Различия в коже. Темная кожа или татуировки могут снизить эффективность отражения света и повлиять на точность мониторинга. Некоторые браслеты решают эту проблему за счет увеличения мощности светодиодов или использования источников света с разной длиной волны (например, красного и зеленого света).

4. Техническая оптимизация: инновации от устройств к системам
Чтобы повысить точность мониторинга сердечного ритма медицинского уровня, отрасль продвигает технологические обновления на двух уровнях: дизайн устройства и системная интеграция.

Инновации устройства:
Интеграция нескольких длин волн: например, фотодиод BPW34 от ROHM объединяет зеленые, красные и инфракрасные датчики на одном чипе для достижения синхронного мониторинга частоты сердечных сокращений, кислорода в крови и артериального давления.
Гибкая подложка: технология 3D-жидких диодов (3D LD), предложенная Городским университетом Гонконга, обеспечивает однонаправленную передачу пота и улучшенную воздухопроницаемость за счет создания гетерогенных смачивающих микроструктур, решая проблему дрейфа сигнала, вызванную накоплением пота в традиционных браслетах.
Оптимизация алгоритма:
Модель глубокого обучения: браслеты серии Huawei GT используют сверточные нейронные сети (CNN) для анализа характеристик формы сигналов PPG, различения реальной частоты сердечных сокращений и артефактов движения, а также уменьшения статических ошибок сердечного ритма с точностью до ± 1 удара в минуту.
Объединение нескольких датчиков: объединение электродов ЭКГ с датчиками PPG, калибровка данных о частоте сердечных сокращений путем сравнения временной задержки сигналов ЭКГ и оптических сигналов, а также повышение точности в динамических сценах.