생체 적합 압전 펩타이드 나노발전기 & 1,000Hz 0-Alloc C# 이식형 무전원 심박조율기 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Biomedical
{
    /// <summary>
    /// 심박조율기 상태 텔레메트리 구조체 (16-byte 스택 전용)
    /// </summary>
    public readonly ref struct PacemakerState
    {
        public readonly float StoredEnergyUj;     // 커패시터 축적 에너지 (uJ)
        public readonly float HeartRateBpm;       // 현재 추정 심박수 (BPM)
        public readonly float LastRrIntervalSec;  // 직전 RR 간격 (s)
        public readonly bool PacingPulseTriggered;// 자극 펄스 방출 여부

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PacemakerState(float energy, float hr, float rr, bool paced)
        {
            StoredEnergyUj = energy;
            HeartRateBpm = hr;
            LastRrIntervalSec = rr;
            PacingPulseTriggered = paced;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz Zero-Allocation 펩타이드 무전원 심박조율기 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct BioPeptidePacemakerServoEngine
    {
        private float _storedCapEnergyUj;       // 저장 에너지 (uJ)
        private float _timeSinceLastRSec;       // 직전 R-파 이후 경과 시간
        private float _lastEcgSample;           // 직전 ECG 신호
        private float _lastFilteredDerivative;  // 직전 미분치

        private const float PacingThresholdSec = 1.2f; // 50 BPM 미만 서맥 기준 시간
        private const float PacingEnergyCostUj = 1.5f;  // 1회 자극 소모 에너지

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public BioPeptidePacemakerServoEngine(float initialEnergyUj)
        {
            _storedCapEnergyUj = initialEnergyUj;
            _timeSinceLastRSec = 0.0f;
            _lastEcgSample = 0.0f;
            _lastFilteredDerivative = 0.0f;
        }

        /// <summary>
        /// 1ms 주기(1,000Hz) ECG 신호 및 압전 수확 전력 분석, 서맥 방어 자극 펄스 트리거 (0-Alloc)
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PacemakerState Update1Khz(float rawEcgMv, float harvestedPowerUw, float dtSeconds)
        {
            // 1) 압전 수확 전력 누적: E = E + P * dt
            _storedCapEnergyUj += harvestedPowerUw * dtSeconds;
            _timeSinceLastRSec += dtSeconds;

            // 2) 1차 고역통과 미분 필터 (Pan-Tompkins QRS 검출 전처리)
            float ecgDerivative = (rawEcgMv - _lastEcgSample) / dtSeconds;
            _lastFilteredDerivative += (ecgDerivative - _lastFilteredDerivative) * 0.35f;
            _lastEcgSample = rawEcgMv;

            // 3) R-파 피크 검출 판정
            bool rPeakDetected = (_lastFilteredDerivative > 25.0f) && (_timeSinceLastRSec > 0.25f);
            float currentRr = _timeSinceLastRSec;
            float heartRate = 60.0f / MathF.Max(0.3f, currentRr);

            if (rPeakDetected)
            {
                _timeSinceLastRSec = 0.0f; // 타이머 리셋
            }

            // 4) 서맥(Bradycardia) 부정맥 발생 판정 시 즉시 페이싱 펄스 트리거
            bool triggerPacing = false;
            if (_timeSinceLastRSec > PacingThresholdSec && _storedCapEnergyUj >= PacingEnergyCostUj)
            {
                triggerPacing = true;
                _storedCapEnergyUj -= PacingEnergyCostUj; // 자극 에너지 소비
                _timeSinceLastRSec = 0.0f; // 인공 심박 후 타이머 리셋
            }

            return new PacemakerState(_storedCapEnergyUj, heartRate, currentRr, triggerPacing);
        }
    }
}