Apa peran dioda dalam pemantauan detak jantung pada gelang pintar?

1, prinsip teknologi PPG: mekanisme inti dioda
Pemantauan detak jantung pada gelang pintar terutama didasarkan pada teknologi PPG, dan proses intinya mencakup empat langkah: emisi sumber cahaya, penetrasi dan pantulan sinyal cahaya, penerimaan sinyal cahaya, dan pemrosesan sinyal. Dalam proses ini, dioda memainkan peran ganda sebagai emisi sumber cahaya dan penerimaan sinyal cahaya:

Emisi sumber cahaya: Dioda LED (biasanya lampu hijau, panjang gelombang 530nm) yang terpasang pada gelang secara teratur memancarkan cahaya yang menembus kulit. Cahaya hijau diserap secara efisien oleh hemoglobin dalam darah, sedangkan cahaya yang tidak diserap dipantulkan kembali ke permukaan kulit. Pemilihan panjang gelombang ini didasarkan pada karakteristik penyerapan darah yang kuat terhadap cahaya hijau, yang dapat memaksimalkan kontras sinyal.
Penerimaan sinyal optik: Fotodioda (seperti VEMD2704 Vishay) bertanggung jawab untuk menerima sinyal optik yang dipantulkan dan mengubahnya menjadi sinyal listrik. Saat jantung memompa darah, volume pembuluh arteri berubah secara berkala sehingga menyebabkan fluktuasi intensitas cahaya yang dipantulkan. Fotodioda menghasilkan sinyal listrik yang disinkronkan dengan detak jantung dengan menangkap perubahan halus dalam intensitas cahaya.
Pemrosesan sinyal:-Chip bawaan gelang memfilter, memperkuat, dan menganalisis sinyal listrik menggunakan algoritme, yang pada akhirnya menghitung nilai detak jantung. Misalnya, Xiaomi Mi Band 7 mendapatkan perlindungan elektrostatik melalui dioda TVS (ESD5641D12) yang dikemas dalam DFN2x2-3L, memastikan stabilitas transmisi sinyal.

2, Pemilihan perangkat: adaptasi terhadap kinerja dan skenario
Kinerja fotodioda secara langsung menentukan keakuratan dan keandalan pemantauan detak jantung. Dalam penerapan praktis, parameter utama berikut perlu dipertimbangkan secara komprehensif:

Rentang respons panjang gelombang: Pemantauan detak jantung harus mencakup pita lampu hijau (530nm), sedangkan pemantauan oksigen darah perlu mendukung lampu merah (660nm) dan cahaya inframerah (940nm). Beberapa gelang-kelas atas, seperti Apple Watch, menggunakan fotodioda multi-panjang gelombang untuk mencapai pemantauan sinkron terhadap detak jantung dan oksigen darah dengan menganalisis perbedaan penyerapan cahaya pada panjang gelombang berbeda.
Sensitivitas dan rasio-terhadap-kebisingan: Saat bergerak, intensitas pantulan cahaya pada permukaan kulit berfluktuasi secara dramatis, sehingga fotodioda harus memiliki sensitivitas tinggi untuk menangkap sinyal lemah. VEMD2704 Vishay meningkatkan rasio sinyal-terhadap-kebisingan hingga lebih dari dua kali lipat dibandingkan perangkat tradisional dengan mengoptimalkan kurva respons cahaya inframerah, sehingga secara efektif mengurangi interferensi artefak gerakan.
Ukuran paket dan konsumsi daya: Gelang pintar memiliki persyaratan ketat untuk miniaturisasi perangkat dan konsumsi daya yang rendah. Misalnya, VEMD2704 mengadopsi paket mikro 1,8 mm × 2,0 mm dengan konsumsi daya hanya 0,1 mW, yang dapat memenuhi persyaratan masa pakai baterai gelang hingga 7 hari.

3, Tantangan Penerapan: Gangguan dari Faktor Lingkungan dan Fisiologis
Meskipun teknologi PPG sudah sangat matang, teknologi PPG masih menghadapi banyak tantangan dalam penggunaan praktisnya, yang perlu diatasi melalui kombinasi pemilihan dioda dan optimalisasi algoritma.

Gangguan cahaya lingkungan: Cahaya yang kuat (seperti sinar matahari) dapat menyebabkan saturasi fotodioda, yang menyebabkan distorsi sinyal. Solusinya meliputi:
Menggunakan filter pita sempit, hanya panjang gelombang target (seperti 530nm) yang diperbolehkan melewatinya;
Sesuaikan arus penggerak LED secara dinamis untuk menyeimbangkan kekuatan sinyal dan efek cahaya lingkungan.
Artefak gerak: Mengayunkan lengan atau kontraksi otot dapat mengubah jalur cahaya di permukaan kulit, menyebabkan fluktuasi sinyal. Misalnya, data detak jantung pada gelang mungkin tidak normal untuk sementara saat berlari. Arahan optimasi meliputi:
Pilih fotodioda dengan kemampuan anti-interferensi yang kuat (seperti kapasitor sambungan rendah);
Menggabungkan data sensor akselerasi, menghilangkan gangguan gerakan melalui algoritma.
Perbedaan kulit: Kulit gelap atau tato dapat mengurangi efisiensi pantulan cahaya dan mempengaruhi akurasi pemantauan. Beberapa gelang mengatasi masalah ini dengan meningkatkan daya penggerak LED atau menggunakan sumber cahaya multi-panjang gelombang (seperti lampu merah dan hijau).

4, Optimasi Teknis: Inovasi dari Perangkat ke Sistem
Untuk meningkatkan akurasi pemantauan detak jantung tingkat medis, industri ini mempromosikan peningkatan teknologi dari dua tingkat: desain perangkat dan integrasi sistem

Inovasi perangkat:
Integrasi multi panjang gelombang: Misalnya, fotodioda BPW34 ROHM mengintegrasikan sensor hijau, merah, dan inframerah pada satu chip untuk mencapai pemantauan sinkron terhadap detak jantung, oksigen darah, dan tekanan darah.
Substrat fleksibel: Teknologi dioda cair 3D (3D LD) yang diusulkan oleh City University of Hong Kong mencapai transmisi keringat searah dan meningkatkan kemampuan bernapas dengan membangun struktur mikro pembasahan heterogen, memecahkan masalah penyimpangan sinyal yang disebabkan oleh akumulasi keringat pada gelang tradisional.
Pengoptimalan algoritma:
Model pembelajaran mendalam: Gelang seri Huawei GT menggunakan jaringan saraf konvolusional (CNN) untuk menganalisis karakteristik bentuk gelombang sinyal PPG, membedakan antara detak jantung nyata dan artefak gerakan, serta mengurangi kesalahan detak jantung statis hingga ± 1bpm.
Fusi multi sensor: Menggabungkan elektroda EKG dengan sensor PPG, mengkalibrasi data detak jantung dengan membandingkan waktu tunda sinyal EKG dan sinyal optik, serta meningkatkan akurasi dalam pemandangan dinamis.