Akıllı bilekliklerde kalp atış hızı takibinde diyotların rolü nedir?

1, PPG teknoloji prensibi: diyotların çekirdek mekanizması
Akıllı bilekliklerin kalp atış hızı izlemesi temel olarak PPG teknolojisine dayanır ve temel süreci dört adımdan oluşur: ışık kaynağı emisyonu, ışık sinyalinin nüfuz etmesi ve yansıması, ışık sinyali alımı ve sinyal işleme. Bu süreçte diyotlar, ışık kaynağı emisyonu ve ışık sinyali alımı konusunda ikili bir rol oynar:

Işık kaynağı emisyonu: Bilekliğin içine yerleştirilmiş LED diyot (genellikle yeşil ışık, dalga boyu 530 nm) düzenli olarak cilde nüfuz eden ışık yayar. Yeşil ışık kandaki hemoglobin tarafından verimli bir şekilde emilirken emilmeyen ışık cilt yüzeyine geri yansıtılır. Bu dalga boyu seçimi, sinyal kontrastını en üst düzeye çıkarabilen, kanın yeşil ışığa karşı güçlü emilim özelliklerine dayanmaktadır.
Optik sinyal alımı: Fotodiyotlar (Vishay'in VEMD2704'ü gibi) yansıyan optik sinyalleri almaktan ve bunları elektrik sinyallerine dönüştürmekten sorumludur. Kalp kan pompaladığında, arteriyel damar hacmi periyodik olarak değişir ve yansıyan ışık yoğunluğunda dalgalanmalara neden olur. Fotodiyotlar, ışık yoğunluğundaki bu ince değişiklikleri yakalayarak kalp atış hızıyla senkronize elektrik sinyalleri üretir.
Sinyal işleme: Bilekliğin yerleşik- çipi, algoritmalar kullanarak elektrik sinyalini filtreler, güçlendirir ve analiz eder, sonuçta kalp atış hızı değerini hesaplar. Örneğin, Xiaomi Mi Band 7, DFN2x2-3L'de paketlenmiş TVS diyotu (ESD5641D12) aracılığıyla elektrostatik koruma sağlayarak sinyal iletim stabilitesini sağlar.

2, Cihaz seçimi: performansa ve senaryolara adaptasyon
Fotodiyotların performansı, kalp atış hızı izlemenin doğruluğunu ve güvenilirliğini doğrudan belirler. Pratik uygulamalarda aşağıdaki temel parametrelerin kapsamlı bir şekilde dikkate alınması gerekir:

Dalga boyu yanıt aralığı: Kalp atış hızı izlemenin yeşil ışık (530 nm) bandını kapsaması gerekirken kan oksijen izlemenin hem kırmızı ışığı (660 nm) hem de kızılötesi ışığı (940 nm) desteklemesi gerekir. Apple Watch gibi bazı üst düzey bileklikler, farklı dalga boylarındaki ışık emilimindeki farklılıkları analiz ederek kalp atış hızının ve kandaki oksijenin eşzamanlı olarak izlenmesini sağlamak için çok dalga boylu fotodiyotlar kullanır.
Hassasiyet ve sinyal-gürültüye-oranı: Hareket halinde, cilt yüzeyindeki ışık yansımasının yoğunluğu önemli ölçüde dalgalanır ve zayıf sinyalleri yakalamak için fotodiyotların yüksek hassasiyete sahip olmasını gerektirir. Vishay'ın VEMD2704'ü, kızılötesi ışık tepkisi eğrisini optimize ederek sinyal-gürültü- oranını geleneksel cihazlara göre iki kattan daha fazla artırır ve hareket artefaktı girişimini etkili bir şekilde azaltır.
Paket boyutu ve güç tüketimi: Akıllı bileklikler, cihazın minyatürleştirilmesi ve düşük güç tüketimi konusunda katı gereksinimlere sahiptir. Örneğin VEMD2704, bilekliğin pil ömrü ihtiyacını 7 güne kadar karşılayabilen, yalnızca 0,1 mW güç tüketimine sahip 1,8 mm × 2,0 mm mikro paketi benimser.

3, Uygulama Zorluğu: Çevresel ve Fizyolojik Faktörlerden Kaynaklanan Girişim
PPG teknolojisinin yüksek olgunluğuna rağmen, pratik kullanımda hala birçok zorlukla karşı karşıyadır ve bunların diyot seçimi ve algoritma optimizasyonunun bir kombinasyonu yoluyla ele alınması gerekir.

Çevresel ışık girişimi: Güçlü ışık (güneş ışığı gibi) fotodiyotların doygunluğuna neden olarak sinyal bozulmasına neden olabilir. Çözüm şunları içerir:
Dar bant filtreleri kullanıldığında yalnızca hedef dalga boyunun (530 nm gibi) geçmesine izin verilir;
Sinyal gücünü ve çevresel ışık efektlerini dengelemek için LED sürüş akımını dinamik olarak ayarlayın.
Hareket artefaktı: Kolun sallanması veya kas kasılması, cilt yüzeyindeki ışık yolunu değiştirerek sinyal dalgalanmalarına neden olabilir. Örneğin, koşu sırasında bilekliğin kalp atış hızı verileri geçici olarak anormal olabilir. Optimizasyon talimatları şunları içerir:
Güçlü anti-girişim yeteneğine sahip (düşük bağlantı kapasitörleri gibi) fotodiyotları seçin;
Hızlanma sensörü verilerini birleştirerek, algoritmalar aracılığıyla hareket parazitini ortadan kaldırın.
Cilt farklılıkları: Koyu ten veya dövmeler ışık yansıtma verimliliğini azaltabilir ve izleme doğruluğunu etkileyebilir. Bazı bileklikler LED'in sürüş gücünü artırarak veya çok dalga boyundaki ışık kaynaklarını (kırmızı ve yeşil ışık gibi) kullanarak bu sorunu hafifletir.

4, Teknik Optimizasyon: Cihazlardan Sistemlere İnovasyon
Kalp atış hızı izlemenin tıbbi düzeydeki doğruluğunu artırmak için endüstri, iki düzeyde teknolojik yükseltmeleri teşvik ediyor: cihaz tasarımı ve sistem entegrasyonu.

Cihaz yeniliği:
Çoklu dalga boyu entegrasyonu: Örneğin, ROHM'nin BPW34 fotodiyodu, kalp atış hızının, kandaki oksijenin ve kan basıncının eşzamanlı olarak izlenmesini sağlamak için yeşil, kırmızı ve kızılötesi sensörleri tek bir çip üzerinde birleştirir.
Esnek alt tabaka: Hong Kong Şehir Üniversitesi tarafından önerilen 3D sıvı diyot (3D LD) teknolojisi, geleneksel bilekliklerde ter birikmesinin neden olduğu sinyal kayması problemini çözerek, heterojen ıslatma mikro yapıları oluşturarak tek yönlü ter iletimi ve gelişmiş nefes alabilirlik sağlar.
Algoritma optimizasyonu:
Derin öğrenme modeli: Huawei GT serisi bileklikler, PPG sinyallerinin dalga biçimi özelliklerini analiz etmek, gerçek kalp atış hızı ile hareket artefaktlarını ayırt etmek ve statik kalp atış hızı hatalarını ± 1bpm aralığına azaltmak için evrişimli sinir ağlarını (CNN) kullanır.
Çoklu sensör füzyonu: EKG elektrotlarını PPG sensörleriyle birleştirmek, EKG sinyallerinin ve optik sinyallerin zaman gecikmesini karşılaştırarak kalp atış hızı verilerini kalibre etmek ve dinamik sahnelerde doğruluğu artırmak.