Kuinka varmistaa diodien tarkka mittaus oksimetripiireissä?

1, kaksoisaallonpituus LED: tarkan signaalin generoinnin kulmakivi
Oksimetri käyttää kaksiaallonpituista LED-valoa, jossa on 660 nm punaista valoa ja 940 nm infrapunavaloa, ja sen suunnittelu perustuu hemoglobiinin (Hb) ja hapetetun hemoglobiinin (HbO ₂) absorptioominaisuuksien eroihin eri valon aallonpituuksilla. Erityisesti:

660 nm punainen valo: HbO ₂:n absorptionopeus on alhainen, Hb:n absorptionopeus korkea ja signaalin intensiteetti korreloi negatiivisesti valtimon happipitoisuuden kanssa;
940 nm infrapunavalo: HbO ₂:n absorptionopeus on huomattavasti korkeampi kuin Hb, ja signaalin intensiteetti korreloi positiivisesti valtimon happipitoisuuden kanssa.
Teknisen toteutuksen pääkohdat:

Ajoituksen ohjaus: Aja LED-valo vilkkumaan vuorotellen (yleensä 100-500 Hz:n taajuudella) H-siltapiirin läpi välttääksesi molemminpuoliset häiriöt kahden valosignaalin välillä. Esimerkiksi tietty oksimetrimalli käyttää MSP430-mikro-ohjaimen PWM-signaalia LED-ohjainsirun ohjaamiseen, jolloin saadaan aikaan vuorotellen punaisen ja infrapunavalon valaistus 0,5 ms:n välein.
Vakiovirtakäyttö: Vakiovirtalähdepiirin käyttäminen LED-valon vakaan valovoiman varmistamiseksi ja virransyötön vaihtelujen häiriön poistamiseksi valon voimakkuudesta. Kliinisen laadun oksimetri käyttää tarkkuusvastusta (kuten 0,1 %:n tarkkuus) ja operaatiovahvistinta takaisinkytkentäsilmukan muodostamiseen, joka ohjaa LED-virran vaihteluita ± 0,5 %:n sisällä.
Valon voimakkuuden kalibrointi: Tuotantoprosessissa LED-lähdön valon voimakkuutta säädetään optisten suodattimien avulla vastaamaan kahden aallonpituuden signaalin amplitudeja ja parantamaan myöhemmän signaalinkäsittelyn dynaamista aluetta. Esimerkiksi kannettava oksimetri käyttää integroivaa pallokalibrointijärjestelmää säätämään punaisen ja infrapunavalon intensiteettisuhdetta 1:1,2 ± 0,05 ennen tehtaalta lähtöä.
2, Valodiodi: korkean{1}}herkkyyden valosähköisen muuntamisen ydin
Valodiodit vastaavat sormien kautta lähetettävien valosignaalien muuntamisesta sähköisiksi signaaleiksi, ja niiden suorituskyky vaikuttaa suoraan signaalin -/-kohinasuhteeseen (SNR). Tärkeimmät tekniset parametrit ovat:

Vasteen aallonpituusalue: Sen on katettava 400-1050 nm, jotta se reagoi sekä punaiseen että infrapunavaloon samanaikaisesti;
Vastenopeus: Nousuajan tulee olla alle 1 μs, jotta pulssiaaltojen pienet muutokset saadaan talteen;
Tumma virta: Sen on oltava alle 0,1 nA ympäristön valon häiriöiden vähentämiseksi.
Tyypilliset sovellustapaukset:
Tietyssä lääketieteellisen luokan oksimetrissä käytetään OSRAM SFH 2701 -valodiodia. Kun käänteinen bias on 5 V, tumma virta on vain 0,05 nA ja herkkyys saavuttaa 0,55 A/W 940 nm:ssä. Laite parantaa merkittävästi korkean taajuuden vastekykyään

Piirin suunnittelun pääkohdat:

Transimpedanssivahvistin (TIA): muuntaa valodiodin heikon virtasignaalin (yleensä 0,1-10 μA) jännitesignaaliksi. Esimerkiksi tietyssä mallissa käytetään AD8065-operaatiovahvistinta TIA:n rakentamiseen, jonka takaisinkytkentäresistanssi on 1M Ω, jolloin saadaan muunnosvahvistus 0,1V/μA.
Ympäristön valon vaimennus: Kaksinkertainen ympäristövalon häiriöiden vaimennus saavutetaan optisilla suodattimilla (kuten 660 nm ja 940 nm kaistanpäästösuodattimilla) ja piirisuodattimilla (kuten RC-alipäästösuotimilla). Kokeelliset tiedot osoittavat, että tämä menetelmä voi vähentää 50 Hz:n tehotaajuushäiriöitä 40 dB:llä.
Lämpötilan kompensointi: NTC-termistori on integroitu valodiodin viereen, ja TIA-vahvistusta säädetään reaaliajassa{0}}mikro-ohjaimen avulla lämpötilan poikkeaman kompensoimiseksi. Esimerkiksi tietty rakenne ohjaa lähtöjännitteen vaihtelua ± 0,5 %:n sisällä -20 asteen ja 50 asteen välillä.
3, Melunvaimennus: Täysi linkin optimointi laitteistosta algoritmiin
Oksimetrin signaali sisältää useita kohinalähteitä, jotka täytyy vaimentaa laitteiston ja algoritmin koordinoinnilla:

Laitteistosuodatus:
Esivahvistin: Vähäkohinaista operaatiovahvistinta (kuten OPA2333, jonka tulojännitteen kohinatiheys on vain 3,5 nV/√ Hz) käytetään TIA:n rakentamiseen ja lämpökohinan vähentämiseen.
Kaistanpäästösuodatus: Poimi 0,7-3 Hz:n pulssiaaltosignaalit toisen-asteen alipäästösuodattimen (-katkaisutaajuus 11,25 Hz) ja ensimmäisen-kertaluvun ylipäästösuodattimen (rajataajuus 0,0159 Hz) läpi;
50 Hz:n lovi: käyttämällä kaksois-T-verkkoa tai aktiivista suodatuspiiriä tehotaajuuden häiriöiden vaimentamiseen.
Digitaalinen suodatus:
FIR-suodatin: käytetään poistamaan korkeataajuista{0}}kohinaa ja säilyttämään pulssiaaltoominaisuudet;
Mukautuva suodatus: suodatinkertoimien dynaaminen säätäminen LMS-algoritmin avulla liikkeen artefaktien estämiseksi. Tietyt kokeelliset tiedot osoittavat, että tämä menetelmä voi pienentää liikehäiriöiden aiheuttamaa mittausvirhettä ± 5 %:sta ± 1,5 %:iin.
4, Dynaaminen kompensointi: sopeudu erilaisiin fysiologisiin ja käyttöskenaarioihin
Mittauksen yleismaailmallisuuden parantamiseksi oksimetrin on kompensoitava dynaamisesti seuraavat skenaariot:

Ihon väriero: Tummalla iholla on voimakkaampi valon absorptio, ja signaalin vaimennus on kompensoitava säätämällä LED-ajovirtaa (esimerkiksi lisäämällä 5 mA:sta 10 mA:iin) tai TIA-vahvistusta. Tietty malli käyttää mikro-ohjainta valvomaan valodiodien lähtöjännitettä reaaliajassa ja säätämään automaattisesti vahvistuskerrointa.
Alhainen perfuusiotila: Isku tai hypotermia johtaa pulssiaallon amplitudin laskuun, ja signaalin -/-kohinasuhdetta on parannettava lisäämällä näytteenottotaajuutta (kuten 100 Hz:stä 500 Hz:iin) ja pidentämällä integrointiaikaa (kuten 100 ms:sta 500 ms:iin). Kliininen tutkimus osoitti, että tämä lähestymistapa voi nostaa matalan perfuusiopotilaiden onnistumisastetta 75 prosentista 92 prosenttiin.
Anturin siirtymä: Tarkkailemalla signaalin amplitudin muutoksia (kuten yli 30 %:n laskua) laukeaa hälytys, joka kehottaa käyttäjää korjaamaan anturin uudelleen. Kannettava oksimetri integroi kiihtyvyysanturin ja vaimentaa edelleen siirtymähäiriöitä liikkeentunnistusalgoritmien avulla.
5, Kliininen validointi ja standardien noudattaminen
Lääketieteellisen luokan oksimetrit vaativat tiukan kliinisen validoinnin ja standardien noudattamisen:

Kliinisten tietojen sovitus: Määritä kartoituskäyrä R-arvon (punaisen valon ja infrapunavalon AC/DC-signaalisuhde) ja SpO ₂ välille perustuen suureen määrään vapaaehtoisia tietoja. Esimerkiksi tietyn oksimetrimallin kalibrointikäyrä kattaa alueen SpO ₂ 70% -100%, maksimivirheen ollessa pienempi tai yhtä suuri kuin 2%.
IEC 60601-2-20 -standardi: edellyttää, että LED-valon voimakkuus ei saa ylittää 10 mW/cm ² ihon palovammojen välttämiseksi; Samalla määrätään, että mittausvirhe ei saa ylittää ± 3 % alueella SpO ₂ 70 % -100 %.