스마트 손목밴드의 심박수 모니터링에서 다이오드의 역할은 무엇입니까?

1, PPG 기술 원리: 다이오드의 핵심 메커니즘
스마트 손목밴드의 심박수 모니터링은 주로 PPG 기술을 기반으로 하며 핵심 프로세스에는 광원 방출, 광 신호 침투 및 반사, 광 신호 수신 및 신호 처리의 4단계가 포함됩니다. 이 과정에서 다이오드는 광원 방출과 광 신호 수신의 이중 역할을 수행합니다.

광원 방출: 손목 밴드에 내장된 LED 다이오드(보통 녹색광, 파장 530nm)는 피부를 관통하는 빛을 정기적으로 방출합니다. 녹색광은 혈액 내 헤모글로빈에 효율적으로 흡수되는 반면, 흡수되지 않은 빛은 피부 표면으로 다시 반사됩니다. 이 파장 선택은 녹색광에 대한 혈액의 강한 흡수 특성을 기반으로 하며, 이는 신호 대비를 극대화할 수 있습니다.
광 신호 수신: 광다이오드(예: Vishay의 VEMD2704)는 반사된 광 신호를 수신하여 전기 신호로 변환하는 역할을 합니다. 심장이 혈액을 펌핑할 때 동맥 혈관의 부피가 주기적으로 변하여 반사되는 빛의 강도가 변동됩니다. 포토다이오드는 빛 강도의 미묘한 변화를 포착하여 심박수와 동기화된 전기 신호를 생성합니다.
신호 처리: 손목 밴드에 내장된-칩은 알고리즘을 사용하여 전기 신호를 필터링하고 증폭 및 분석하여 최종적으로 심박수 값을 계산합니다. 예를 들어 Xiaomi Mi Band 7은 DFN2x2-3L에 패키지된 TVS 다이오드(ESD5641D12)를 통해 정전기 방지 기능을 구현하여 신호 전송 안정성을 보장합니다.

2, 장치 선택: 성능 및 시나리오에 대한 적응
포토다이오드의 성능은 심박수 모니터링의 정확성과 신뢰성을 직접적으로 결정합니다. 실제 적용에서는 다음과 같은 주요 매개변수를 포괄적으로 고려해야 합니다.

파장 응답 범위: 심박수 모니터링은 녹색광(530nm) 대역을 포괄해야 하고, 혈액 산소 모니터링은 적색광(660nm)과 적외선(940nm)을 모두 지원해야 합니다. Apple Watch와 같은 일부 고급- 손목 밴드는 다중 파장 포토다이오드를 사용하여 다양한 파장에서 빛 흡수의 차이를 분석하여 심박수와 혈액 산소를 동시에 모니터링합니다.
감도 및 신호{0}}대-잡음 비율: 움직임이 있을 때 피부 표면의 빛 반사 강도는 크게 변동하므로 약한 신호를 포착하려면 포토다이오드의 감도가 높아야 합니다. Vishay의 VEMD2704는 적외선 응답 곡선을 최적화하고 모션 아티팩트 간섭을 효과적으로 줄여 신호{4}}대-잡음 비율을 기존 장치보다 2배 이상 향상시킵니다.
패키지 크기 및 전력 소비: 스마트 손목 밴드에는 장치 소형화 및 저전력 소비에 대한 엄격한 요구 사항이 있습니다. 예를 들어, VEMD2704는 전력 소비가 0.1mW에 불과한 1.8mm × 2.0mm 마이크로 패키지를 채택하여 최대 7일 동안 손목 밴드의 배터리 수명 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

3, 응용 과제: 환경 및 생리적 요인의 간섭
PPG 기술의 높은 성숙도에도 불구하고 실제 사용에서는 여전히 여러 가지 과제에 직면해 있으며, 이는 다이오드 선택과 알고리즘 최적화의 조합을 통해 해결해야 합니다.

환경적 빛 간섭: 강한 빛(예: 햇빛)은 포토다이오드를 포화시켜 신호 왜곡을 일으킬 수 있습니다. 솔루션에는 다음이 포함됩니다.
협대역 필터를 사용하면 대상 파장(예: 530nm)만 통과할 수 있습니다.
LED 구동 전류를 동적으로 조정하여 신호 강도와 환경 조명 효과의 균형을 맞춥니다.
운동 인공물: 팔을 휘두르거나 근육이 수축하면 피부 표면의 빛 경로가 변경되어 신호 변동이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 손목 밴드의 심박수 데이터는 달리는 동안 일시적으로 비정상적일 수 있습니다. 최적화 방향은 다음과 같습니다.
강력한 -간섭 방지 기능(예: 낮은 접합 커패시터)을 갖춘 포토다이오드를 선택하세요.
가속도 센서 데이터를 결합하고 알고리즘을 통해 모션 간섭을 제거합니다.
피부 차이: 어두운 피부나 문신은 빛 반사 효율을 감소시키고 모니터링 정확도에 영향을 줄 수 있습니다. 일부 손목 밴드는 LED 구동 전력을 높이거나 다중 파장 광원(예: 빨간색 및 녹색 조명)을 사용하여 이 문제를 완화합니다.

4, 기술 최적화: 장치에서 시스템으로의 혁신
심박수 모니터링의 의료 등급 정확도를 향상시키기 위해 업계에서는 장치 설계와 시스템 통합이라는 두 가지 수준의 기술 업그레이드를 추진하고 있습니다.

장치 혁신:
다중 파장 통합: 예를 들어 ROHM의 BPW34 광다이오드는 녹색, 빨간색 및 적외선 센서를 단일 칩에 통합하여 심박수, 혈중 산소 및 혈압을 동시에 모니터링합니다.
유연한 기판: 홍콩 시립대학교가 제안한 3D 액체 다이오드(3D LD) 기술은 이종 습윤 미세 구조를 구성하여 단방향 땀 전달과 통기성 개선을 달성하고 기존 손목 밴드의 땀 축적으로 인한 신호 표류 문제를 해결합니다.
알고리즘 최적화:
딥 러닝 모델: Huawei GT 시리즈 손목 밴드는 CNN(컨벌루션 신경망)을 사용하여 PPG 신호의 파형 특성을 분석하고 실제 심박수와 모션 아티팩트를 구별하며 정적 심박수 오류를 ±1bpm 이내로 줄입니다.
다중 센서 융합: ECG 전극과 PPG 센서를 결합하고, ECG 신호와 광학 신호의 시간 지연을 비교하여 심박수 데이터를 보정하고, 역동적인 장면에서 정확도를 향상시킵니다.