מה תפקידן של דיודות בניטור דופק של צמידי יד חכמות?

1, עקרון טכנולוגיית PPG: מנגנון הליבה של דיודות
ניטור הדופק של צמידים חכמות מבוסס בעיקר על טכנולוגיית PPG, ותהליך הליבה שלו כולל ארבעה שלבים: פליטת מקור אור, חדירת אותות אור והחזרה, קליטת אותות אור ועיבוד אותות. בתהליך זה, דיודות ממלאות תפקיד כפול של פליטת מקור אור וקליטת אותות אור:

פליטת מקור אור: דיודת ה-LED (בדרך כלל אור ירוק, אורך גל 530 ננומטר) המובנית בצמיד פולטת באופן קבוע אור שחודר לעור. אור ירוק נספג ביעילות על ידי המוגלובין בדם, בעוד שאור לא נספג מוחזר אל פני העור. בחירת אורך גל זו מבוססת על מאפייני הספיגה החזקים של דם כלפי אור ירוק, שיכול למקסם את ניגודיות האותות.
קליטת אותות אופטיים: פוטודיודות (כגון VEMD2704 של Vishay) אחראיות על קליטת אותות אופטיים משתקפים והמרתם לאותות חשמליים. כאשר הלב שואב דם, נפח כלי העורקים משתנה מעת לעת, מה שגורם לתנודות בעוצמת האור המוחזר. פוטודיודות מייצרות אותות חשמליים המסונכרנים עם קצב הלב על ידי לכידת השינויים העדינים הללו בעוצמת האור.
עיבוד אותות: השבב המובנה-של הצמיד מסנן, מגביר ומנתח את האות החשמלי באמצעות אלגוריתמים, ובסופו של דבר מחשב את ערך הדופק. לדוגמה, ה-Xiaomi Mi Band 7 משיג הגנה אלקטרוסטטית באמצעות דיודת ה-TVS (ESD5641D12) ארוזה ב-DFN2x2-3L, מה שמבטיח יציבות שידור האות.

2, בחירת מכשיר: התאמה לביצועים ותרחישים
הביצועים של photodiodes קובעים ישירות את הדיוק והאמינות של ניטור דופק. ביישומים מעשיים, יש לשקול באופן מקיף את הפרמטרים המרכזיים הבאים:

טווח תגובה אורכי גל: ניטור קצב הלב צריך לכסות את פס האור הירוק (530 ננומטר), בעוד שניטור חמצן בדם צריך לתמוך גם באור אדום (660 ננומטר) וגם באור אינפרא אדום (940 ננומטר). כמה צמידי היד הגבוהים, כגון Apple Watch, משתמשים בפוטודיודות מרובות גל כדי להשיג ניטור סינכרוני של קצב הלב והחמצן בדם על ידי ניתוח ההבדלים בספיגת האור באורכי גל שונים.
רגישות ויחס אות-ל-רעש: בתנועה, עוצמת השתקפות האור על פני העור משתנה באופן דרמטי, מה שמחייב לפוטודיודות רגישות גבוהה ללכידת אותות חלשים. ה-VEMD2704 של Vishay משפר את יחס האות-ל-למעלה מפי שניים מזה של מכשירים מסורתיים על ידי אופטימיזציה של עקומת התגובה לאור האינפרא אדום, ובכך מפחיתה למעשה הפרעות חפצי תנועה.
גודל החבילה וצריכת החשמל: לצמידים חכמים יש דרישות מחמירות למזעור המכשיר וצריכת חשמל נמוכה. לדוגמה, VEMD2704 מאמץ חבילת מיקרו בגודל 1.8 מ"מ × 2.0 מ"מ עם צריכת חשמל של 0.1mW בלבד, שיכולה לעמוד בדרישת חיי הסוללה של הצמיד עד 7 ימים.

3, אתגר היישום: התערבות מגורמים סביבתיים ופיזיולוגיים
למרות הבשלות הגבוהה של טכנולוגיית PPG, היא עדיין מתמודדת עם אתגרים מרובים בשימוש מעשי, שיש להתמודד איתם באמצעות שילוב של בחירת דיודות ואופטימיזציה של אלגוריתמים

הפרעות אור סביבתי: אור חזק (כגון אור שמש) עלול לגרום לרוויה של פוטודיודות, ולהוביל לעיוות אות. הפתרון כולל:
באמצעות מסננים צר פס, רק אורך הגל של המטרה (כגון 530 ננומטר) מותר לעבור;
כוונן באופן דינמי את זרם הנהיגה של LED כדי לאזן את עוצמת האות והשפעות האור הסביבתיות.
חפץ תנועה: הנפת זרוע או כיווץ שרירים יכולים לשנות את נתיב האור על פני העור, ולגרום לתנודות באות. לדוגמה, נתוני הדופק של הצמיד עשויים להיות חריגים זמנית במהלך הריצה. כיווני אופטימיזציה כוללים:
בחר פוטודיודות בעלות יכולת אנטי- חזקה (כגון קבלים נמוכים של צומת);
שילוב נתוני חיישן תאוצה, מבטל הפרעות תנועה באמצעות אלגוריתמים.
הבדלים בעור: עור כהה או קעקועים יכולים להפחית את יעילות החזר האור ולהשפיע על דיוק הניטור. חלק מהצמידים מקלים על בעיה זו על ידי הגדלת כוח הנעה של LED או שימוש במקורות אור מרובי גל (כגון אור אדום וירוק).

4, אופטימיזציה טכנית: חדשנות ממכשירים למערכות
כדי לשפר את הדיוק הרפואי של ניטור דופק, התעשייה מקדמת שדרוגים טכנולוגיים משתי רמות: עיצוב מכשירים ושילוב מערכות

חדשנות במכשיר:
אינטגרציה מרובה אורכי גל: לדוגמה, הפוטודיודה BPW34 של ROHM משלבת חיישני ירוק, אדום ואינפרא אדום בשבב בודד כדי להשיג ניטור סינכרוני של קצב הלב, חמצן הדם ולחץ הדם.
מצע גמיש: טכנולוגיית הדיודה הנוזלית התלת-ממדית (3D LD) המוצעת על ידי אוניברסיטת סיטי של הונג קונג משיגה העברת זיעה חד-כיוונית ויכולת נשימה משופרת על ידי בניית מבני הרטבה הטרוגניים, ופותרת את בעיית סחף האותות הנגרמת על ידי הצטברות זיעה בצמידי היד המסורתיים.
אופטימיזציה של אלגוריתם:
מודל למידה עמוקה: צמידי היד מסדרת Huawei GT משתמשים ברשתות עצביות קונבולוציוניות (CNN) כדי לנתח את מאפייני צורת הגל של אותות PPG, להבחין בין קצב לב אמיתי וחפצי תנועה ולהפחית שגיאות דופק סטטיות לטווח של ± 1bpm.
היתוך חיישני רב: שילוב אלקטרודות ECG עם חיישני PPG, כיול נתוני קצב הלב על ידי השוואת השהיית הזמן של אותות ECG ואותות אופטיים, ושיפור הדיוק בסצנות דינמיות.