スマートリストバンドの心拍数モニタリングにおけるダイオードの役割は何ですか?

1、PPG技術原理：ダイオードの核心機構
スマートリストバンドの心拍数モニタリングは主に PPG テクノロジーに基づいており、そのコアプロセスには光源の発光、光信号の透過と反射、光信号の受信、信号処理の 4 つのステップが含まれます。このプロセスでは、ダイオードは光源の発光と光信号の受信という二重の役割を果たします。

光源発光: リストバンドに組み込まれた LED ダイオード (通常は緑色光、波長 530nm) が定期的に光を放射し、皮膚を透過します。緑色の光は血液中のヘモグロビンに効率よく吸収されますが、吸収されなかった光は反射して皮膚の表面に戻ります。この波長の選択は、緑色光に対する血液の強い吸収特性に基づいており、信号のコントラストを最大化できます。
光信号受信: フォトダイオード (Vishay の VEMD2704 など) は、反射された光信号を受信し、電気信号に変換する役割を果たします。心臓が血液を送り出すと、動脈血管の容積が周期的に変化し、反射光の強度が変動します。フォトダイオードは、光強度のこれらの微妙な変化を捕捉することにより、心拍数と同期した電気信号を生成します。
信号処理: リストバンドの内蔵チップ-は、アルゴリズムを使用して電気信号をフィルタリング、増幅、分析し、最終的に心拍数の値を計算します。たとえば、Xiaomi Mi Band 7 は、DFN2x2-3L にパッケージされた TVS ダイオード (ESD5641D12) によって静電気保護を実現し、信号伝送の安定性を確保します。

2、デバイスの選択: パフォーマンスとシナリオへの適応
フォトダイオードの性能は、心拍数モニタリングの精度と信頼性を直接決定します。実際のアプリケーションでは、次の主要なパラメータを包括的に考慮する必要があります。

波長応答範囲: 心拍数モニタリングは緑色光 (530nm) 帯域をカバーする必要があり、血中酸素モニタリングは赤色光 (660nm) と赤外線 (940nm) の両方をサポートする必要があります。 Apple Watch などの一部のハイエンド リストバンドでは、多波長フォトダイオードを使用し、さまざまな波長での光吸収の違いを分析することで心拍数と血中酸素の同期モニタリングを実現しています。-
感度と信号対雑音比--: 動きがあると、皮膚表面での光の反射の強度が劇的に変動するため、フォトダイオードには弱い信号を捕捉するための高い感度が必要です。 Vishay の VEMD2704 は、赤外線応答曲線を最適化することで信号対雑音比を従来のデバイスの 2 倍以上に改善し、モーション アーティファクトの干渉を効果的に低減します。{4}
パッケージのサイズと消費電力: スマート リストバンドには、デバイスの小型化と低消費電力に関する厳しい要件があります。たとえば、VEMD2704 は、消費電力がわずか 0.1mW の 1.8mm × 2.0mm マイクロパッケージを採用しており、リストバンドのバッテリー寿命要件を最長 7 日間満たすことができます。

3、アプリケーションの課題: 環境および生理学的要因による干渉
PPG テクノロジーは高度に成熟しているにもかかわらず、実用化においては依然として複数の課題に直面しており、ダイオードの選択とアルゴリズムの最適化を組み合わせて解決する必要があります。

環境光の干渉: 強い光 (太陽光など) はフォトダイオードの飽和を引き起こし、信号の歪みにつながる可能性があります。ソリューションには次のものが含まれます。
狭帯域フィルターを使用すると、ターゲット波長 (530nm など) のみが通過できます。
LED 駆動電流を動的に調整して、信号強度と環境光の影響のバランスをとります。
モーションアーチファクト: 腕の振りや筋肉の収縮により、皮膚表面上の光路が変化し、信号の変動が生じる可能性があります。たとえば、ランニング中にリストバンドの心拍数データが​​一時的に異常になる場合があります。最適化の方向性には次のようなものがあります。
強力な抗干渉能力を持つフォトダイオードを選択してください（低接合コンデンサなど）。{0}
加速度センサーのデータを組み合わせ、アルゴリズムによって動きの干渉を排除します。
肌の違い: 肌の色が濃い場合やタトゥーがある場合は、光の反射効率が低下し、モニタリングの精度に影響を与える可能性があります。一部のリストバンドでは、LED の駆動電力を増やすか、多波長光源 (赤色光や緑色光など) を使用することで、この問題を軽減しています。

4、技術最適化：デバイスからシステムまでのイノベーション
心拍数モニタリングの医療グレードの精度を向上させるために、業界はデバイス設計とシステム統合の 2 つのレベルからの技術アップグレードを推進しています。

デバイスの革新:
多波長統合: たとえば、ROHM の BPW34 フォトダイオードは、緑、赤、赤外線センサーを単一チップに統合し、心拍数、血中酸素、血圧の同期モニタリングを実現します。
フレキシブル基板: 香港城市大学が提案した 3D 液体ダイオード (3D LD) テクノロジーは、不均一な湿潤微細構造を構築することで一方向の汗の伝達と通気性の向上を実現し、従来のリストバンドの汗の蓄積によって引き起こされる信号ドリフトの問題を解決します。
アルゴリズムの最適化:
深層学習モデル：Huawei GTシリーズのリストバンドは、畳み込みニューラルネットワーク（CNN）を使用してPPG信号の波形特性を分析し、実際の心拍数とモーションアーティファクトを区別し、静的心拍数の誤差を±1bpm以内に低減します。
マルチセンサーフュージョン: ECG 電極と PPG センサーを組み合わせ、ECG 信号と光信号の時間遅延を比較することで心拍数データを校正し、動的なシーンでの精度を向上させます。