Qual é o papel dos diodos no monitoramento da frequência cardíaca de pulseiras inteligentes?

1, princípio da tecnologia PPG: o mecanismo central dos diodos
O monitoramento da frequência cardíaca de pulseiras inteligentes é baseado principalmente na tecnologia PPG e seu processo principal inclui quatro etapas: emissão da fonte de luz, penetração e reflexão do sinal de luz, recepção do sinal de luz e processamento de sinal. Neste processo, os diodos desempenham um papel duplo de emissão de fonte de luz e recepção de sinal de luz:

Emissão da fonte de luz: O diodo LED (geralmente luz verde, comprimento de onda 530nm) embutido na pulseira emite regularmente luz que penetra na pele. A luz verde é absorvida eficientemente pela hemoglobina no sangue, enquanto a luz não absorvida é refletida de volta à superfície da pele. Esta seleção do comprimento de onda baseia-se nas fortes características de absorção do sangue em relação à luz verde, o que pode maximizar o contraste do sinal.
Recepção de sinal óptico: Fotodiodos (como o VEMD2704 da Vishay) são responsáveis ​​por receber sinais ópticos refletidos e convertê-los em sinais elétricos. Quando o coração bombeia o sangue, o volume do vaso arterial muda periodicamente, causando flutuações na intensidade da luz refletida. Os fotodiodos geram sinais elétricos sincronizados com a frequência cardíaca, capturando essas mudanças sutis na intensidade da luz.
Processamento de sinal: o chip-integrado da pulseira filtra, amplifica e analisa o sinal elétrico usando algoritmos, calculando, em última análise, o valor da frequência cardíaca. Por exemplo, a Xiaomi Mi Band 7 consegue proteção eletrostática através do diodo TVS (ESD5641D12) embalado em DFN2x2-3L, garantindo estabilidade na transmissão do sinal.

2, Seleção de dispositivos: adaptação ao desempenho e cenários
O desempenho dos fotodiodos determina diretamente a precisão e a confiabilidade do monitoramento da frequência cardíaca. Em aplicações práticas, os seguintes parâmetros-chave precisam ser considerados de forma abrangente:

Faixa de resposta do comprimento de onda: o monitoramento da frequência cardíaca precisa cobrir a faixa de luz verde (530nm), enquanto o monitoramento de oxigênio no sangue precisa suportar luz vermelha (660nm) e luz infravermelha (940nm). Algumas pulseiras-de última geração, como o Apple Watch, usam fotodiodos de vários comprimentos de onda para obter monitoramento sincronizado da frequência cardíaca e do oxigênio no sangue, analisando as diferenças na absorção de luz em diferentes comprimentos de onda.
Sensibilidade e relação sinal-para{1}}ruído: sob movimento, a intensidade do reflexo da luz na superfície da pele flutua drasticamente, exigindo que os fotodiodos tenham alta sensibilidade para capturar sinais fracos. O VEMD2704 da Vishay melhora a relação sinal{4}}para{5}}ruído para mais de duas vezes a dos dispositivos tradicionais, otimizando a curva de resposta da luz infravermelha, reduzindo efetivamente a interferência de artefatos de movimento.
Tamanho do pacote e consumo de energia: As pulseiras inteligentes têm requisitos rígidos para miniaturização do dispositivo e baixo consumo de energia. Por exemplo, o VEMD2704 adota um micropacote de 1,8 mm × 2,0 mm com um consumo de energia de apenas 0,1 mW, que pode atender aos requisitos de vida útil da bateria da pulseira por até 7 dias.

3, Desafio de Aplicação: Interferência de Fatores Ambientais e Fisiológicos
Apesar da alta maturidade da tecnologia PPG, ela ainda enfrenta múltiplos desafios no uso prático, que precisam ser abordados através de uma combinação de seleção de diodos e otimização de algoritmos

Interferência de luz ambiental: A luz forte (como a luz solar) pode causar saturação dos fotodiodos, levando à distorção do sinal. A solução inclui:
Usando filtros de banda estreita, apenas o comprimento de onda alvo (como 530 nm) pode passar;
Ajuste dinamicamente a corrente de acionamento do LED para equilibrar a intensidade do sinal e os efeitos da luz ambiental.
Artefato de movimento: o balanço do braço ou a contração muscular podem alterar o caminho da luz na superfície da pele, causando flutuações de sinal. Por exemplo, os dados de frequência cardíaca da pulseira podem ficar temporariamente anormais durante a corrida. As instruções de otimização incluem:
Escolha fotodiodos com forte capacidade anti-interferência (como capacitores de junção baixa);
Combinando dados do sensor de aceleração, elimine a interferência de movimento por meio de algoritmos.
Diferenças de pele: Pele escura ou tatuagens podem reduzir a eficiência do reflexo da luz e afetar a precisão do monitoramento. Algumas pulseiras aliviam esse problema aumentando a potência do LED ou usando fontes de luz de vários comprimentos de onda (como luz vermelha e verde).

4, Otimização Técnica: Inovação de Dispositivos a Sistemas
Para melhorar a precisão médica do monitoramento da frequência cardíaca, a indústria está promovendo atualizações tecnológicas em dois níveis: design do dispositivo e integração do sistema

Inovação de dispositivos:
Integração de vários comprimentos de onda: por exemplo, o fotodiodo BPW34 da ROHM integra sensores verdes, vermelhos e infravermelhos em um único chip para obter monitoramento síncrono da frequência cardíaca, oxigênio no sangue e pressão arterial.
Substrato flexível: A tecnologia de diodo líquido 3D (3D LD) proposta pela City University of Hong Kong consegue transmissão unidirecional de suor e melhora a respirabilidade através da construção de microestruturas de umedecimento heterogêneas, resolvendo o problema de desvio de sinal causado pelo acúmulo de suor em pulseiras tradicionais.
Otimização de algoritmo:
Modelo de aprendizagem profunda: as pulseiras da série Huawei GT usam redes neurais convolucionais (CNN) para analisar as características da forma de onda dos sinais PPG, distinguir entre frequência cardíaca real e artefatos de movimento e reduzir erros de frequência cardíaca estática para ± 1bpm.
Fusão multissensor: Combinação de eletrodos de ECG com sensores PPG, calibração de dados de frequência cardíaca comparando o atraso de sinais de ECG e sinais ópticos e melhorando a precisão em cenas dinâmicas.