نقش دیودها در پایش ضربان قلب مچ بندهای هوشمند چیست؟

1، اصل فناوری PPG: مکانیسم اصلی دیودها
نظارت بر ضربان قلب مچ بندهای هوشمند عمدتاً مبتنی بر فناوری PPG است و فرآیند اصلی آن شامل چهار مرحله است: انتشار منبع نور، نفوذ و بازتاب سیگنال نور، دریافت سیگنال نور و پردازش سیگنال. در این فرآیند، دیودها نقش دوگانه انتشار منبع نور و دریافت سیگنال نور را دارند:

انتشار منبع نور: دیود LED (معمولاً نور سبز با طول موج 530 نانومتر) تعبیه شده در مچ بند به طور منظم نوری را منتشر می کند که به پوست نفوذ می کند. نور سبز به طور موثر توسط هموگلوبین در خون جذب می شود، در حالی که نور جذب نشده به سطح پوست منعکس می شود. این انتخاب طول موج بر اساس ویژگی های جذب قوی خون نسبت به نور سبز است که می تواند کنتراست سیگنال را به حداکثر برساند.
دریافت سیگنال نوری: فتودیودها (مانند VEMD2704 Vishay) وظیفه دریافت سیگنال های نوری منعکس شده و تبدیل آنها به سیگنال های الکتریکی را بر عهده دارند. هنگامی که قلب خون را پمپاژ می کند، حجم عروق شریانی به طور دوره ای تغییر می کند و باعث نوسان در شدت نور منعکس شده می شود. فتودیودها سیگنال های الکتریکی هماهنگ با ضربان قلب را با ثبت این تغییرات ظریف در شدت نور تولید می کنند.
پردازش سیگنال: تراشه داخلی{0}مچبند فیلتر، سیگنال الکتریکی را با استفاده از الگوریتم‌ها تقویت و تجزیه و تحلیل می‌کند و در نهایت مقدار ضربان قلب را محاسبه می‌کند. به عنوان مثال، Xiaomi Mi Band 7 از طریق دیود TVS (ESD5641D12) بسته‌بندی شده در DFN2x2-3L به حفاظت الکترواستاتیکی دست می‌یابد و از ثبات انتقال سیگنال اطمینان می‌دهد.

2، انتخاب دستگاه: سازگاری با عملکرد و سناریوها
عملکرد فتودیودها به طور مستقیم دقت و قابلیت اطمینان پایش ضربان قلب را تعیین می کند. در کاربردهای عملی، پارامترهای کلیدی زیر باید به طور جامع در نظر گرفته شوند:

محدوده پاسخ طول موج: نظارت بر ضربان قلب باید نوار سبز (530 نانومتر) را پوشش دهد، در حالی که نظارت بر اکسیژن خون باید از نور قرمز (660 نانومتر) و نور مادون قرمز (940 نانومتر) پشتیبانی کند. برخی از مچ بندهای{4}بالا، مانند ساعت اپل، از فوتودیودهای چند طول موجی برای دستیابی به نظارت همزمان ضربان قلب و اکسیژن خون با تجزیه و تحلیل تفاوت در جذب نور در طول موج های مختلف استفاده می کنند.
حساسیت و نسبت سیگنال به-در حال حرکت، شدت انعکاس نور در سطح پوست به شدت در نوسان است، که نیاز به فتودیودها برای گرفتن سیگنال های ضعیف حساسیت بالایی دارند. VEMD2704 Vishay با بهینه‌سازی منحنی پاسخ نور مادون قرمز، نسبت سیگنال به-را به بیش از دو برابر دستگاه‌های سنتی بهبود می‌بخشد و به طور موثر تداخل مصنوع حرکتی را کاهش می‌دهد.
اندازه بسته بندی و مصرف انرژی: مچ بندهای هوشمند دارای الزامات سختگیرانه برای کوچک سازی دستگاه و مصرف انرژی کم هستند. به عنوان مثال، VEMD2704 از یک بسته میکرو 1.8 × 2.0 میلی‌متری با مصرف انرژی تنها 0.1 میلی‌وات استفاده می‌کند که می‌تواند عمر باتری مورد نیاز مچ بند را تا 7 روز برآورده کند.

3، چالش کاربرد: تداخل عوامل محیطی و فیزیولوژیکی
علیرغم بلوغ بالای فناوری PPG، هنوز در استفاده عملی با چالش‌های متعددی مواجه است که باید از طریق ترکیبی از انتخاب دیود و بهینه‌سازی الگوریتم مورد توجه قرار گیرد.

تداخل نور محیطی: نور شدید (مانند نور خورشید) ممکن است باعث اشباع شدن فتودیودها شود و منجر به اعوجاج سیگنال شود. راه حل شامل:
با استفاده از فیلترهای باند باریک، تنها طول موج هدف (مانند 530 نانومتر) مجاز به عبور است.
جریان رانندگی LED را به صورت دینامیکی تنظیم کنید تا قدرت سیگنال و اثرات نور محیطی را متعادل کند.
آرتیفکت حرکتی: چرخش بازو یا انقباض عضلانی می تواند مسیر نور را در سطح پوست تغییر دهد و باعث نوسانات سیگنال شود. به عنوان مثال، داده های ضربان قلب مچ بند ممکن است به طور موقت در حین دویدن غیر طبیعی باشد. جهت های بهینه سازی عبارتند از:
دیودهای نوری با قابلیت ضد تداخل قوی (مانند خازن های اتصال کم) را انتخاب کنید.
ترکیب داده‌های حسگر شتاب، تداخل حرکتی را از طریق الگوریتم‌ها حذف می‌کند.
تفاوت های پوستی: پوست تیره یا خالکوبی می تواند کارایی انعکاس نور را کاهش دهد و بر دقت نظارت تأثیر بگذارد. برخی از مچ بندها با افزایش قدرت رانندگی LED یا استفاده از منابع نور چند طول موج (مانند نور قرمز و سبز) این مشکل را کاهش می دهند.

4، بهینه سازی فنی: نوآوری از دستگاه ها تا سیستم ها
برای بهبود دقت درجه پزشکی پایش ضربان قلب، صنعت ارتقاهای تکنولوژیکی را از دو سطح ارتقا می‌دهد: طراحی دستگاه و یکپارچه‌سازی سیستم.

نوآوری دستگاه:
ادغام چند طول موج: به عنوان مثال، دیود نوری BPW34 ROHM حسگرهای سبز، قرمز و مادون قرمز را روی یک تراشه واحد ادغام می کند تا به نظارت همزمان ضربان قلب، اکسیژن خون و فشار خون دست یابد.
بستر انعطاف‌پذیر: فناوری دیود مایع سه‌بعدی (3D LD) پیشنهاد شده توسط دانشگاه سیتی هنگ‌کنگ با ایجاد ریزساختارهای مرطوب کننده ناهمگن، به انتقال عرق یک‌طرفه و بهبود تنفس دست می‌یابد و مشکل رانش سیگنال ناشی از تجمع عرق در مچ‌بندهای سنتی را حل می‌کند.
بهینه سازی الگوریتم:
مدل یادگیری عمیق: مچ بندهای سری GT Huawei از شبکه‌های عصبی کانولوشنال (CNN) برای تجزیه و تحلیل ویژگی‌های شکل موج سیگنال‌های PPG، تمایز بین ضربان قلب واقعی و مصنوعات حرکتی، و کاهش خطاهای ضربان قلب ساکن تا 1bpm ± استفاده می‌کنند.
همجوشی چند سنسور: ترکیب الکترودهای ECG با حسگرهای PPG، کالیبره کردن داده‌های ضربان قلب با مقایسه تاخیر زمانی سیگنال‌های ECG و سیگنال‌های نوری، و بهبود دقت در صحنه‌های پویا.