Koks yra diodų panaudojimas gliukozės kiekio kraujyje stebėjimo įrangoje?

1, Techninė fotodiodų esmė: tikslus optinių signalų konvertavimas į elektrinius signalus
Pagrindinė fotodiodo funkcija yra paversti optinius signalus elektriniais signalais naudojant PN sandūros fotoelektrinį efektą. Kai tam tikro bangos ilgio šviesa apšvitinama ant PN jungties, fotonų energija sužadina valentinės juostos elektronus, kad jie pereitų į laidumo juostą, sudarydami elektronų skylių poras (nuotraukoje sukurtus nešiklius). Veikiant atvirkštiniam poslinkiui, kryptingas krūvininkų judėjimas sukuria fotosrovę, o jos intensyvumas yra tiesiškai susijęs su krintančios šviesos galia. Šis procesas apima tris pagrindinius parametrus:

Kvantinis efektyvumas: tiesiogiai nustato fotoelektrinės konversijos efektyvumą. Pavyzdžiui, InGaAs fotodiodai gali pasiekti daugiau nei 90% kvantinį efektyvumą, kai bangos ilgis yra 1310 nm, o tai žymiai pagerina silpnos šviesos aptikimo galimybes.
Reakcijos laikas: nustato greitį, kuriuo prietaisas fiksuoja gliukozės koncentracijos kraujyje pokyčius. PIN tipo fotodiodai sutrumpina nešiklio perdavimo laiką iki pikosekundės lygio optimizuodami vidinį sluoksnio storį ir atitinkantys stebėjimo realiuoju laiku reikalavimus.
Tamsi srovė: turi įtakos mažos koncentracijos aptikimo tikslumui. Beijing Minguang Technology sukurtas Low Dark Current 0,3 mm InGaAs PIN fotodiodas turi mažesnę nei 0,1 nA tamsiąją srovę ir puikiai aptinka silpnus šviesos signalus.
Pavyzdžiui, neinvazinis gliukozės kiekio kraujyje detektorius, jame naudojami dviejų bangų ilgio 1310 nm ir 1550 nm lazeriniai diodai, kad apšvitintų odą, o fotodiodų matrica priima išsklaidytą atspindžio šviesos signalą. Išmatavus šviesos sugerties skirtumus skirtinguose bangos ilgiuose ir derinant juos su dalinės mažiausių kvadratų regresijos (PLSR) algoritmu, galima pašalinti trukdančių medžiagų, tokių kaip vanduo ir baltymai, įtaką, todėl galima tiksliai apskaičiuoti gliukozės koncentraciją kraujyje.

2, Neinvazinis gliukozės kiekio kraujyje stebėjimas: technologinė revoliucija, kurią skatina diodai
Tradicinis gliukozės kiekio kraujyje stebėjimas reikalauja, kad kraujas paimtų odą, o tai kelia infekcijos riziką ir negali būti nuolat stebima. Diodų technologijos proveržis suteikia galimybę ne-invaziniam stebėjimui, o pagrindiniai jos principai:

Artimųjų infraraudonųjų spindulių spektroskopijos sugerties metodas: gliukozei būdingos absorbcijos smailės yra 750-1850 nm bangos ilgių diapazone. Išspinduliuojant tam tikro bangos ilgio šviesą per DFB lazerinius diodus, fotodiodais nustatomas audinių skystyje esančios gliukozės sugerties intensyvumas. Pavyzdžiui, Sichuan Tengguang pagamintas 1550 nm DFB lazeris turi įtaisytą -TEC temperatūros valdymo modulį, kurio galios stabilumas yra geresnis nei ± 0,5 %, užtikrinantis ilgalaikio stebėjimo patikimumą.
Fotoakustinio efekto metodas: kai lazeriu apšvitinama oda, gliukozė sugeria šviesos energiją, kad sukurtų ultragarso bangas. Ultragarsiniam jutikliui užfiksavus signalą, fotodiodas šviesos intensyvumo pokytį paverčia elektriniu signalu. Tsinghua universiteto sukurtas nešiojamasis prietaisas naudoja trijų bangų ilgių lazerinių diodų matricą ir apdoroja tris duomenų rinkinius per DSP sintezę, o aptikimo tikslumas yra ± 10 mg/dL.
Optinio sukimosi aptikimo metodas: naudojant gliukozės optinio sukimosi charakteristikas, koncentracija apskaičiuojama išmatuojant skleidžiamos šviesos nukreipimo kampą. Organiniai šviesos diodai (OLED) kaip šviesos šaltiniai kartu su fotodiodų matricomis gali aptikti ne-kontaktą ir yra tinkami dinaminiam gliukozės kiekio kraujyje stebėjimui.

3, kelių bangų ilgių sintezės aptikimas: pagrindinė technologija, skirta pagerinti atsparumą-trukdžiams
Žmogaus audinių sudėtis yra sudėtinga, o medžiagų, tokių kaip vanduo, baltymai ir riebalai, šviesos sugerties charakteristikos yra panašios į gliukozę, kuri gali lengvai sukelti kryžminius trukdžius. Kelių bangų ilgių sintezės aptikimas pagerina tikslumą taikant šias strategijas:

Bangos ilgio pasirinkimo optimizavimas: Eksperimentai parodė, kad 750 nm, 980 nm ir 1310 nm bangų ilgių derinys gali padengti pagrindinę gliukozės sugerties smailę, išvengiant stiprios vandens sugerties srities (1450 nm). Pavyzdžiui, tam tikras kraujo gliukozės matuoklio modelis naudoja dvigubą 750 nm ir 980 nm bangos ilgį ir pašalina foninius trukdžius per diferencialinį algoritmą, o aptikimo paklaida yra mažesnė nei 15%.
Dinaminio derinimo technologija: valdant lazerinio diodo srovę, kad ji derintųsi 15 nm diapazone, realiuoju laiku{1}}fiksuojami gliukozės sugerties smailių pokyčiai. Fizinė modeliavimo sistema rodo, kad dinaminis derinimas gali padidinti aptikimo jautrumą 40%.
Chemometrinis modeliavimas: derinant dalinės mažiausių kvadratų regresijos (PLSR) arba paramos vektoriaus mašinos (SVM) algoritmus, sukuriamas netiesinis šviesos sugerties intensyvumo ir gliukozės koncentracijos kraujyje modelis. Klinikiniai duomenys rodo, kad trijų bangų ilgių sintezės modelio nuspėjamasis koreliacijos koeficientas (R ²) yra 0,92, žymiai geresnis nei vieno bangos ilgio modelio (R ²=0.78).

4, Anti-interference dizainas: sistemos inžinerija, siekiant užtikrinti klinikinį patikimumą
Gliukozės kiekio kraujyje stebėjimo įranga turi susidoroti su įvairiais iššūkiais, tokiais kaip aplinkos šviesa, elektromagnetiniai trukdžiai ir įrenginio triukšmas. Apsaugos nuo trukdžių dizainas turi būti optimizuotas tiek aparatūros, tiek algoritmo lygiais

Aparatūros dizainas:
Optinis filtravimas: prieš fotodiodą įdiekite siaurajuostį filtrą, kad slopintumėte netikslinio bangos ilgio šviesos trukdžius. Pavyzdžiui, 1310 nm filtro pralaidumą galima valdyti ± 10 nm tikslumu, o pralaidumas yra didesnis nei 90%.
Elektromagnetinis ekranavimas: metalinis korpusas naudojamas fotodiodams uždengti, sumažinant 50 Hz galios dažnio trukdžius. Eksperimentai parodė, kad ekranavimo konstrukcija gali pagerinti signalo -ir -triukšmo santykį (SNR) 20 dB.
Mažas triukšmo stiprinimas: JFET įvesties operacinis stiprintuvas naudojamas transimpedanso stiprinimo grandinei sukonstruoti, sumažinant įvesties triukšmo įtampos tankį iki 0,5 nV/√ Hz. Pavyzdžiui, tam tikro modelio kraujo gliukozės matuoklio bendras grandinės triukšmas yra mažesnis nei 0,3 mV, o tai atitinka 12 bitų AD konvertavimo reikalavimą.
Algoritmo optimizavimas:
Bangos triukšmo mažinimas: išskaidykite fotosrovės signalą naudodami db4 bangų pagrindą, kad išfiltruotumėte aukšto -dažnio triukšmą. Klinikiniai bandymai parodė, kad bangelių triukšmo slopinimas gali pagerinti signalo sklandumą 35%.
Adaptyvusis filtravimas: LMS algoritmo naudojimas dinamiškai koreguoti filtro koeficientus ir slopinti aplinkos šviesos svyravimus realiuoju laiku. Pavyzdžiui, esant 1000 liuksų foniniam apšvietimui, adaptyvus filtravimas gali sumažinti aptikimo klaidą 50%.
Temperatūros kompensavimas: per termistorių stebėkite fotodiodo jungties temperatūrą ir pataisykite tamsiosios srovės poslinkį naudodami paieškos lentelės metodą. Eksperimentai parodė, kad temperatūros kompensavimas gali stabilizuoti aptikimo paklaidą nuo 25 laipsnių iki 40 laipsnių ± 8 mg/dL.