Kakšna je uporaba diod v opremi za spremljanje glukoze v krvi?

1, Tehnično bistvo fotodiod: natančna pretvorba iz optičnih signalov v električne signale
Glavna funkcija fotodiode je pretvarjanje optičnih signalov v električne signale s pomočjo fotoelektričnega učinka PN spoja. Ko je svetloba določene valovne dolžine obsevana na PN spoj, fotonska energija vzbudi elektrone valenčnega pasu, da preidejo v prevodni pas in tvorijo pare elektronskih lukenj (fotografsko ustvarjeni nosilci). Pod delovanjem obratne pristranskosti usmerjeno gibanje nosilcev naboja ustvarja fototok, njegova jakost pa je linearno povezana z močjo vpadne svetlobe. Ta postopek vključuje tri ključne parametre:

Kvantna učinkovitost: neposredno določa učinkovitost fotoelektrične pretvorbe. Na primer, fotodiode InGaAs lahko dosežejo kvantno učinkovitost več kot 90 % pri valovni dolžini 1310 nm, kar znatno izboljša zmogljivosti zaznavanja šibke svetlobe.
Odzivni čas: določa hitrost, s katero naprava zajame spremembe koncentracije glukoze v krvi. Fotodiode vrste PIN skrajšajo prehodni čas nosilca na pikosekundno raven z optimiziranjem notranje debeline plasti, kar izpolnjuje-zahteve za spremljanje v realnem času.
Temni tok: vpliva na natančnost zaznavanja nizke koncentracije. Fotodioda PIN z nizkim temnim tokom 0,3 mm InGaAs, ki jo je razvila Beijing Minguang Technology, ima temni tok manj kot 0,1 nA in dobro deluje pri zaznavanju šibkih svetlobnih signalov.
Če za primer vzamemo ne{0}}invazivni detektor glukoze v krvi, uporablja laserski diodi z dvojno valovno dolžino 1310 nm in 1550 nm za obsevanje kože, niz fotodiod pa sprejema svetlobni signal z difuznim odbojem. Z merjenjem razlik v absorpciji svetlobe pri različnih valovnih dolžinah in njihovo kombinacijo z algoritmom delne regresije najmanjših kvadratov (PLSR) je mogoče odpraviti vpliv motečih snovi, kot sta voda in beljakovine, in tako doseči natančen izračun koncentracije glukoze v krvi.

2, Neinvazivno spremljanje glukoze v krvi: tehnološka revolucija, ki jo poganjajo diode
Tradicionalno spremljanje glukoze v krvi zahteva prebadanje kože za odvzem krvi, kar predstavlja tveganje za okužbo in ga ni mogoče stalno spremljati. Preboj tehnologije diod omogoča ne-invazivno spremljanje, njena temeljna načela pa vključujejo:

Absorpcijska metoda bližnje infrardeče spektroskopije: Glukoza ima značilne vrhove absorpcije v območju valovnih dolžin 750-1850nm. Z oddajanjem svetlobe specifične valovne dolžine skozi laserske diode DFB fotodiode zaznajo intenzivnost absorpcije glukoze v tkivni tekočini. Na primer, 1550nm DFB laser, ki ga proizvaja Sichuan Tengguang, ima vgrajen-modul za nadzor temperature TEC s stabilnostjo moči, boljšo od ± 0,5 %, kar zagotavlja dolgoročno zanesljivost spremljanja.
Metoda fotoakustičnega učinka: Ko laser obseva kožo, glukoza absorbira svetlobno energijo za ustvarjanje ultrazvočnih valov. Ko ultrazvočni senzor zajame signal, fotodioda pretvori spremembo jakosti svetlobe v električni signal. Nosljiva naprava, ki jo je razvila univerza Tsinghua, uporablja niz laserskih diod treh valovnih dolžin in obdeluje tri nize podatkov s pomočjo DSP fuzije z natančnostjo zaznavanja ± 10 mg/dL.
Metoda zaznavanja optične rotacije: z uporabo značilnosti optične rotacije glukoze se koncentracija izračuna z merjenjem odklonskega kota prepuščene svetlobe. Organske svetleče -diode (OLED) kot svetlobni viri v kombinaciji z nizi fotodiod lahko dosežejo brez{2}}kontaktno zaznavanje in so primerne za dinamično spremljanje glukoze v krvi.

3, Zaznavanje fuzije na več valovnih dolžinah: ključna tehnologija za izboljšanje zmožnosti proti-motenju
Sestava človeškega tkiva je zapletena, lastnosti absorpcije svetlobe snovi, kot so voda, beljakovine in maščobe, pa so podobne glukozi, kar lahko zlahka povzroči navzkrižne motnje. Zaznavanje fuzije na več valovnih dolžinah izboljša natančnost z naslednjimi strategijami:

Optimizacija izbire valovne dolžine: Eksperimenti so pokazali, da lahko kombinacija valovnih dolžin 750 nm, 980 nm in 1310 nm pokrije glavni absorpcijski vrh glukoze, medtem ko se izogne ​​območju močne absorpcije vode (1450 nm). Na primer, določen model merilnika glukoze v krvi ima zasnovo dvojne valovne dolžine 750 nm in 980 nm in odpravlja motnje v ozadju prek diferencialnega algoritma z napako zaznavanja manj kot 15 %.
Tehnologija dinamičnega uravnavanja: z nadzorovanjem toka laserske diode za uravnavanje v obsegu 15 nm je doseženo-zajemanje sprememb vrhov absorpcije glukoze v realnem času. Fizični simulacijski sistem kaže, da lahko dinamično uglaševanje poveča občutljivost zaznavanja za 40 %.
Kemometrično modeliranje: Kombinacija algoritmov delne regresije najmanjših kvadratov (PLSR) ali podpornega vektorskega stroja (SVM) vzpostavi nelinearni model intenzivnosti absorpcije svetlobe in koncentracije glukoze v krvi. Klinični podatki kažejo, da je napovedni korelacijski koeficient (R ²) fuzijskega modela treh valovnih dolžin 0,92, kar je bistveno bolje kot pri modelu z eno valovno dolžino (R ²=0.78).

4, Zasnova proti motnjam: sistemski inženiring za zagotavljanje klinične zanesljivosti
Oprema za spremljanje glukoze v krvi se mora soočiti s številnimi izzivi, kot so okoljska svetloba, elektromagnetne motnje in hrup naprave. Zasnovo proti motnjam je treba optimizirati na ravni strojne opreme in algoritma

Oblikovanje strojne opreme:
Optično filtriranje: namestite ozkopasovni filter pred fotodiodo, da preprečite motnje svetlobe neciljne valovne dolžine. Na primer, pasovno širino filtra 1310 nm je mogoče nadzorovati znotraj ± 10 nm, prepustnost pa je večja od 90 %.
Elektromagnetna zaščita: kovinsko ohišje se uporablja za inkapsulacijo fotodiod, kar zmanjšuje motnje frekvence moči 50 Hz. Poskusi so pokazali, da lahko zaščitna zasnova izboljša razmerje-in-šumom (SNR) za 20 dB.
Ojačitev z nizkim šumom: Vhodni operacijski ojačevalnik JFET se uporablja za izdelavo transimpedančnega ojačevalnega vezja, ki zmanjša gostoto vhodne šumne napetosti na 0,5 nV/√ Hz. Na primer, skupni šum vezja določenega modela merilnika glukoze v krvi je manjši od 0,3 mV, kar izpolnjuje zahtevo 12-bitne AD pretvorbe.
Optimizacija algoritma:
Wavelet denoising: Razčlenite signal fototoka z uporabo valovne osnove db4 za filtriranje visoko-frekvenčnega šuma. Klinični testi so pokazali, da lahko valovito odstranjevanje šuma izboljša gladkost signala za 35 %.
Prilagodljivo filtriranje: uporaba algoritma LMS za dinamično prilagajanje koeficientov filtra in zatiranje nihanj svetlobe v okolju v realnem času. Na primer, pri svetlobi ozadja 1000 luksov lahko prilagodljivo filtriranje zmanjša napako zaznavanja za 50 %.
Temperaturna kompenzacija: spremljajte temperaturo spoja fotodiode prek termistorja in popravite odmik temnega toka z metodo iskalne tabele. Poskusi so pokazali, da lahko temperaturna kompenzacija stabilizira napako zaznavanja v območju od 25 stopinj do 40 stopinj znotraj ± 8 mg/dL.