ما هو دور الثنائيات في مراقبة معدل ضربات القلب بالأساور الذكية؟

1، مبدأ تكنولوجيا PPG: الآلية الأساسية للثنائيات
تعتمد مراقبة معدل ضربات القلب لأساور المعصم الذكية بشكل أساسي على تقنية PPG، وتتضمن عمليتها الأساسية أربع خطوات: انبعاث مصدر الضوء، واختراق إشارة الضوء وانعكاسها، واستقبال إشارة الضوء، ومعالجة الإشارة. في هذه العملية، تلعب الثنائيات دورًا مزدوجًا لانبعاث مصدر الضوء واستقبال الإشارة الضوئية:

انبعاث مصدر الضوء: ينبعث الصمام الثنائي LED (عادةً الضوء الأخضر، الطول الموجي 530 نانومتر) المدمج في سوار المعصم الضوء الذي يخترق الجلد بشكل منتظم. يمتص الهيموجلوبين في الدم الضوء الأخضر بكفاءة، بينما ينعكس الضوء غير الممتص مرة أخرى إلى سطح الجلد. يعتمد اختيار الطول الموجي هذا على خصائص الامتصاص القوية للدم تجاه الضوء الأخضر، والتي يمكنها زيادة تباين الإشارة إلى أقصى حد.
استقبال الإشارات الضوئية: تعد الثنائيات الضوئية (مثل Vishay's VEMD2704) مسؤولة عن استقبال الإشارات الضوئية المنعكسة وتحويلها إلى إشارات كهربائية. عندما يضخ القلب الدم، يتغير حجم الأوعية الدموية بشكل دوري، مما يسبب تقلبات في شدة الضوء المنعكس. تقوم الثنائيات الضوئية بتوليد إشارات كهربائية متزامنة مع معدل ضربات القلب من خلال التقاط هذه التغييرات الطفيفة في شدة الضوء.
معالجة الإشارات: تعمل الشريحة-المدمجة في سوار المعصم على تصفية الإشارة الكهربائية وتضخيمها وتحليلها باستخدام الخوارزميات، وفي النهاية حساب قيمة معدل ضربات القلب. على سبيل المثال، يحقق Xiaomi Mi Band 7 الحماية الكهروستاتيكية من خلال الصمام الثنائي TVS (ESD5641D12) المعبأ في DFN2x2-3L، مما يضمن استقرار نقل الإشارة.

2، اختيار الجهاز: التكيف مع الأداء والسيناريوهات
يحدد أداء الثنائيات الضوئية بشكل مباشر دقة وموثوقية مراقبة معدل ضربات القلب. في التطبيقات العملية، يجب مراعاة المعلمات الأساسية التالية بشكل شامل:

نطاق استجابة الطول الموجي: تحتاج مراقبة معدل ضربات القلب إلى تغطية نطاق الضوء الأخضر (530 نانومتر)، بينما تحتاج مراقبة الأكسجين في الدم إلى دعم كل من الضوء الأحمر (660 نانومتر) والأشعة تحت الحمراء (940 نانومتر). تستخدم بعض الأساور-المتطورة، مثل Apple Watch، ثنائيات ضوئية متعددة الأطوال الموجية لتحقيق مراقبة متزامنة لمعدل ضربات القلب والأكسجين في الدم من خلال تحليل الاختلافات في امتصاص الضوء عند أطوال موجية مختلفة.
الحساسية ونسبة الإشارة-إلى-الضوضاء: أثناء الحركة، تتقلب شدة انعكاس الضوء على سطح الجلد بشكل كبير، مما يتطلب أن تتمتع الثنائيات الضوئية بحساسية عالية لالتقاط الإشارات الضعيفة. يعمل VEMD2704 من Vishay على تحسين نسبة الإشارة-إلى-الضوضاء إلى أكثر من ضعف تلك الخاصة بالأجهزة التقليدية عن طريق تحسين منحنى استجابة ضوء الأشعة تحت الحمراء، مما يقلل بشكل فعال من تداخل الحركة الاصطناعية.
حجم العبوة واستهلاك الطاقة: تتمتع الأساور الذكية بمتطلبات صارمة لتصغير الجهاز واستهلاك منخفض للطاقة. على سبيل المثال، يعتمد VEMD2704 حزمة صغيرة مقاس 1.8 مم × 2.0 مم مع استهلاك طاقة يبلغ 0.1 ميجاوات فقط، والتي يمكن أن تلبي متطلبات عمر البطارية لسوار المعصم لمدة تصل إلى 7 أيام.

3، تحدي التطبيق: التدخل من العوامل البيئية والفسيولوجية
على الرغم من النضج الكبير لتقنية PPG، إلا أنها لا تزال تواجه تحديات متعددة في الاستخدام العملي، والتي يجب معالجتها من خلال مزيج من اختيار الصمام الثنائي وتحسين الخوارزمية

تداخل الضوء البيئي: قد يتسبب الضوء القوي (مثل ضوء الشمس) في تشبع الثنائيات الضوئية، مما يؤدي إلى تشويه الإشارة. الحل يشمل:
باستخدام مرشحات النطاق الضيق، يُسمح فقط للطول الموجي المستهدف (مثل 530 نانومتر) بالمرور من خلاله؛
اضبط تيار القيادة LED ديناميكيًا لموازنة قوة الإشارة وتأثيرات الإضاءة البيئية.
خلل الحركة: يمكن أن يؤدي تأرجح الذراع أو تقلص العضلات إلى تغيير مسار الضوء على سطح الجلد، مما يسبب تقلبات في الإشارة. على سبيل المثال، قد تكون بيانات معدل ضربات القلب الخاصة بسوار المعصم غير طبيعية مؤقتًا أثناء الجري. تتضمن اتجاهات التحسين ما يلي:
اختر الثنائيات الضوئية ذات القدرة القوية على مقاومة التداخل-(مثل مكثفات الوصلات المنخفضة)؛
الجمع بين بيانات مستشعر التسارع، والقضاء على تداخل الحركة من خلال الخوارزميات.
اختلافات الجلد: يمكن للبشرة الداكنة أو الوشم أن يقلل من كفاءة انعكاس الضوء ويؤثر على دقة المراقبة. تعمل بعض الأساور على تخفيف هذه المشكلة عن طريق زيادة قوة تشغيل LED أو استخدام مصادر ضوء ذات أطوال موجية متعددة (مثل الضوء الأحمر والأخضر).

4، التحسين الفني: الابتكار من الأجهزة إلى الأنظمة
لتحسين دقة المستوى الطبي لمراقبة معدل ضربات القلب، تعمل الصناعة على تعزيز الترقيات التكنولوجية من مستويين: تصميم الجهاز وتكامل النظام

ابتكار الجهاز:
تكامل الأطوال الموجية المتعددة: على سبيل المثال، يدمج الصمام الثنائي الضوئي BPW34 الخاص بشركة ROHM أجهزة استشعار باللون الأخضر والأحمر والأشعة تحت الحمراء على شريحة واحدة لتحقيق مراقبة متزامنة لمعدل ضربات القلب وأكسجين الدم وضغط الدم.
الركيزة المرنة: تحقق تقنية الصمام الثنائي السائل ثلاثي الأبعاد (3D LD) التي اقترحتها جامعة مدينة هونغ كونغ نقل العرق في اتجاه واحد وتحسين التهوية من خلال إنشاء هياكل مجهرية مبللة غير متجانسة، مما يحل مشكلة انحراف الإشارة الناتجة عن تراكم العرق في الأساور التقليدية.
تحسين الخوارزمية:
نموذج التعلم العميق: تستخدم أساور المعصم من سلسلة Huawei GT الشبكات العصبية التلافيفية (CNN) لتحليل خصائص الشكل الموجي لإشارات PPG، والتمييز بين معدل ضربات القلب الحقيقي والتأثيرات الحركية، وتقليل أخطاء معدل ضربات القلب الثابتة إلى حدود ± 1 نبضة في الدقيقة.
دمج أجهزة الاستشعار المتعددة: الجمع بين أقطاب تخطيط القلب ومستشعرات PPG، ومعايرة بيانات معدل ضربات القلب من خلال مقارنة التأخير الزمني لإشارات تخطيط القلب والإشارات الضوئية، وتحسين الدقة في المشاهد الديناميكية.