Kāda ir diožu loma viedo aproču pulsa uzraudzībā?

1, PPG tehnoloģijas princips: diožu galvenais mehānisms
Viedo aproču pulsa uzraudzība galvenokārt balstās uz PPG tehnoloģiju, un tās pamatprocesā ietilpst četri soļi: gaismas avota emisija, gaismas signāla iespiešanās un atstarošana, gaismas signāla uztveršana un signāla apstrāde. Šajā procesā diodēm ir divējāda loma: gaismas avota emisija un gaismas signāla uztveršana:

Gaismas avota emisija: Aprocei iebūvētā LED diode (parasti zaļā gaisma, viļņa garums 530 nm) regulāri izstaro gaismu, kas iekļūst ādā. Zaļo gaismu efektīvi absorbē hemoglobīns asinīs, bet neuzsūktā gaisma tiek atstarota atpakaļ uz ādas virsmu. Šī viļņa garuma izvēle ir balstīta uz spēcīgajām asiņu absorbcijas īpašībām pret zaļo gaismu, kas var palielināt signāla kontrastu.
Optiskā signāla uztveršana: fotodiodes (piemēram, Vishay's VEMD2704) ir atbildīgas par atstaroto optisko signālu uztveršanu un pārveidošanu elektriskos signālos. Kad sirds sūknē asinis, artēriju asinsvadu tilpums periodiski mainās, izraisot atstarotās gaismas intensitātes svārstības. Fotodiodes ģenerē elektriskos signālus, kas sinhronizēti ar sirdsdarbības ātrumu, tverot šīs smalkās gaismas intensitātes izmaiņas.
Signāla apstrāde: aproces iebūvētā-čips filtrē, pastiprina un analizē elektrisko signālu, izmantojot algoritmus, galu galā aprēķinot sirdsdarbības ātrumu. Piemēram, Xiaomi Mi Band 7 panāk elektrostatisko aizsardzību, izmantojot TVS diodi (ESD5641D12), kas iepakota DFN2x2-3L, nodrošinot signāla pārraides stabilitāti.

2, Ierīces izvēle: pielāgošana veiktspējai un scenārijiem
Fotodiožu veiktspēja tieši nosaka sirdsdarbības monitoringa precizitāti un uzticamību. Praktiskajos lietojumos ir vispusīgi jāapsver šādi galvenie parametri:

Viļņa garuma reakcijas diapazons: sirdsdarbības monitorēšanai ir jāaptver zaļās gaismas (530 nm) josla, savukārt asins skābekļa monitoringam ir jāatbalsta gan sarkanā gaisma (660nm), gan infrasarkanā gaisma (940 nm). Dažas augstas klases aproces, piemēram, Apple Watch, izmanto vairāku viļņu garumu fotodiodes, lai panāktu sinhronu sirdsdarbības un asins skābekļa uzraudzību, analizējot gaismas absorbcijas atšķirības dažādos viļņu garumos.
Jutība un signāla-/-trokšņu attiecība: kustības laikā gaismas atstarošanas intensitāte uz ādas virsmas krasi svārstās, tāpēc fotodiodēm ir jābūt ļoti jutīgām, lai uztvertu vājus signālus. Vishay VEMD2704 uzlabo signāla -pret-trokšņu attiecību vairāk nekā divas reizes salīdzinājumā ar tradicionālajām ierīcēm, optimizējot infrasarkanās gaismas reakcijas līkni, efektīvi samazinot kustības artefaktu radītos traucējumus.
Iepakojuma izmērs un enerģijas patēriņš: viedajām aprocēm ir stingras prasības attiecībā uz ierīces miniaturizāciju un zemu enerģijas patēriņu. Piemēram, VEMD2704 izmanto 1,8 mm × 2,0 mm mikropaketi ar tikai 0,1 mW enerģijas patēriņu, kas var apmierināt aproces akumulatora darbības laiku līdz 7 dienām.

3. Lietojumprogrammas izaicinājums: Vides un fizioloģisko faktoru radīti traucējumi
Neskatoties uz PPG tehnoloģijas augsto briedumu, tā joprojām saskaras ar vairākiem izaicinājumiem praktiskajā lietošanā, kas ir jārisina, apvienojot diodes izvēli un algoritmu optimizāciju.

Vides gaismas traucējumi: spēcīga gaisma (piemēram, saules gaisma) var izraisīt fotodiožu piesātinājumu, izraisot signāla kropļojumus. Risinājums ietver:
Izmantojot šaurjoslas filtrus, ir atļauts iziet cauri tikai mērķa viļņa garumam (piemēram, 530 nm);
Dinamiski pielāgojiet LED braukšanas strāvu, lai līdzsvarotu signāla stiprumu un vides gaismas efektus.
Kustības artefakts: roku šūpošanās vai muskuļu kontrakcija var mainīt gaismas ceļu uz ādas virsmas, izraisot signāla svārstības. Piemēram, aproces pulsa dati skriešanas laikā var īslaicīgi būt neparasti. Optimizācijas norādījumi ietver:
Izvēlieties fotodiodes ar spēcīgu pret{0}}traucējumu spēju (piemēram, zemas pārejas kondensatoriem);
Apvienojot paātrinājuma sensora datus, novērsiet kustības traucējumus, izmantojot algoritmus.
Ādas atšķirības: tumša āda vai tetovējumi var samazināt gaismas atstarošanas efektivitāti un ietekmēt uzraudzības precizitāti. Dažas aproces atvieglo šo problēmu, palielinot LED braukšanas jaudu vai izmantojot vairāku viļņu garumu gaismas avotus (piemēram, sarkano un zaļo gaismu).

4, Tehniskā optimizācija: Inovācijas no ierīcēm līdz sistēmām
Lai uzlabotu sirdsdarbības monitoringa medicīniskās pakāpes precizitāti, nozare veicina tehnoloģiskus uzlabojumus divos līmeņos: ierīču dizains un sistēmu integrācija.

Ierīces jauninājumi:
Vairāku viļņu garumu integrācija: piemēram, ROHM BPW34 fotodiode vienā mikroshēmā integrē zaļos, sarkanos un infrasarkanos sensorus, lai nodrošinātu sinhronu sirdsdarbības ātruma, asins skābekļa un asinsspiediena uzraudzību.
Elastīgs substrāts: Honkongas pilsētas universitātes piedāvātā 3D šķidruma diodes (3D LD) tehnoloģija nodrošina vienvirziena sviedru pārvadi un uzlabotu elpojamību, veidojot neviendabīgas mitrināšanas mikrostruktūras, atrisinot signāla novirzes problēmu, ko izraisa sviedru uzkrāšanās tradicionālajās aproces.
Algoritma optimizācija:
Dziļās mācīšanās modelis: Huawei GT sērijas aproces izmanto konvolucionālos neironu tīklus (CNN), lai analizētu PPG signālu viļņu formas raksturlielumus, atšķirtu reālo sirdsdarbības ātrumu un kustības artefaktus un samazinātu statiskās sirdsdarbības kļūdas līdz ± 1 sitieniem minūtē.
Vairāku sensoru saplūšana: EKG elektrodu apvienošana ar PPG sensoriem, sirdsdarbības datu kalibrēšana, salīdzinot EKG signālu un optisko signālu laika aizkavi, un dinamisku ainu precizitātes uzlabošana.