Mikä on diodien käyttö verensokerin mittauslaitteissa?

1, Valodiodien tekninen olemus: tarkka muuntaminen optisista signaaleista sähköisiksi signaaleiksi
Valodiodin ydintehtävä on muuntaa optiset signaalit sähköisiksi signaaleiksi PN-liitoksen valosähköisen vaikutuksen kautta. Kun tietyn aallonpituuden omaavaa valoa säteilytetään PN-liitokseen, fotonienergia virittää valenssikaistan elektronit siirtymään johtavuuskaistalle muodostaen elektronireikäpareja (valokuvan tuottamia kantoaaltoja). Käänteisen biasin vaikutuksesta varauksenkuljettajien suunnattu liike synnyttää valovirtaa ja sen intensiteetti on lineaarisesti suhteessa tulevaan valotehoon. Tämä prosessi sisältää kolme avainparametria:

Quantum efficiency: directly determines the photoelectric conversion efficiency. For example, InGaAs photodiodes can achieve a quantum efficiency of over 90% at a wavelength of 1310nm, significantly improving weak light detection capabilities.
Vasteaika: määrittää nopeuden, jolla laite tallentaa verensokeripitoisuuden muutokset. PIN-tyyppiset valodiodit lyhentävät kantoaallon siirtoaikaa pikosekunnin tasolle optimoimalla kerroksen ominaispaksuuden ja täyttävät reaaliaikaiset{1}}valvontavaatimukset.
Tumma virta: vaikuttaa alhaisen pitoisuuden ilmaisun tarkkuuteen. Beijing Minguang Technologyn kehittämän Low Dark Current 0,3 mm InGaAs PIN -valodiodin tumma virta on alle 0,1 nA ja se toimii hyvin heikkojen valosignaalien havaitsemisessa.
Esimerkkinä ei-invasiivinen verensokeritunnistin käyttää kahta aallonpituutta 1 310 nm ja 1 550 nm laserdiodeja ihon säteilyttämiseen, ja valodiodiryhmä vastaanottaa hajaheijastusvalosignaalin. Mittaamalla valon absorptioerot eri aallonpituuksilla ja yhdistämällä ne osittaisen pienimmän neliösumman regressioalgoritmiin (PLSR) voidaan eliminoida häiritsevien aineiden, kuten veden ja proteiinin, vaikutus, jolloin saadaan tarkka verensokeripitoisuuden laskenta.

2, Ei-invasiivinen verensokerin seuranta: diodien ohjaama teknologinen vallankumous
Perinteinen verensokerin seuranta edellyttää ihon puhkaisua verenottoa varten, mikä aiheuttaa infektioriskin eikä sitä voida jatkuvasti seurata. Dioditekniikan läpimurto mahdollistaa ei-invasiivisen valvonnan, ja sen perusperiaatteita ovat:

Lähi-infrapunaspektroskopian absorptiomenetelmä: Glukoosilla on ominaiset absorptiohuiput 750-1850 nm:n aallonpituusalueella. Säteilemällä tietyn aallonpituuden valoa DFB-laserdiodien läpi, glukoosin absorptiointensiteetti kudosnesteessä havaitaan valodiodilla. Esimerkiksi Sichuan Tengguangin valmistamassa 1550 nm:n DFB-laserissa on sisäänrakennettu -TEC-lämpötilansäätömoduuli, jonka tehon stabiilisuus on parempi kuin ± 0,5 %, mikä varmistaa pitkän aikavälin seurannan luotettavuuden.
Fotoakustinen tehostemenetelmä: Kun laser säteilyttää ihoa, glukoosi absorboi valoenergiaa ja tuottaa ultraääniaaltoja. Kun ultraäänianturi kaappaa signaalin, valodiodi muuntaa valon voimakkuuden muutoksen sähköiseksi signaaliksi. Tsinghuan yliopiston kehittämä puettava laite käyttää kolmen aallonpituuden laserdiodijärjestelmää ja käsittelee kolmea datajoukkoa DSP-fuusion avulla tunnistustarkkuudella ± 10 mg/dl.
Optisen kierron havaitsemismenetelmä: Glukoosin optisten rotaatioominaisuuksien avulla pitoisuus lasketaan mittaamalla läpäisevän valon taipumakulma. Orgaaniset valo{1}}diodit (OLED) valonlähteinä yhdessä valodiodiryhmien kanssa voivat saavuttaa kosketuksettoman havaitsemisen ja sopivat dynaamiseen verensokerin seurantaan.

3, usean aallonpituuden fuusiotunnistus: keskeinen tekniikka, joka parantaa häiriöntorjuntakykyä-
Ihmiskudoksen koostumus on monimutkainen, ja aineiden, kuten veden, proteiinin ja rasvan, valon absorptio-ominaisuudet ovat samankaltaisia ​​kuin glukoosilla, mikä voi helposti aiheuttaa ristikkäisiä häiriöitä. Moniaallonpituusfuusiotunnistus parantaa tarkkuutta seuraavien strategioiden avulla:

Aallonpituuden valinnan optimointi: Kokeet ovat osoittaneet, että 750 nm, 980 nm ja 1 310 nm aallonpituuksien yhdistelmä voi kattaa glukoosin pääabsorptiohuipun välttäen samalla veden voimakasta absorptioaluetta (1450 nm). Esimerkiksi tietyn mallin verensokerimittari ottaa käyttöön kaksoisaallonpituuden 750 nm ja 980 nm ja eliminoi taustahäiriöt differentiaalialgoritmin avulla ilmaisuvirheen ollessa alle 15 %.
Dynaaminen viritystekniikka: Säätämällä laserdiodin virtaa virittämään 15 nm:n alueella, saavutetaan reaaliaikainen{1}}glukoosin absorptiohuippujen muutosten talteenotto. Fyysinen simulointijärjestelmä osoittaa, että dynaaminen viritys voi lisätä tunnistusherkkyyttä 40 %.
Kemometrinen mallintaminen: Yhdistämällä osittaisen pienimmän neliösumman regressio- (PLSR) tai tukivektorikoneen (SVM) algoritmeja luodaan epälineaarinen malli valon absorption intensiteetistä ja veren glukoosipitoisuudesta. Kliiniset tiedot osoittavat, että kolmen aallonpituuden fuusiomallin ennustava korrelaatiokerroin (R ²) on 0,92, mikä on merkittävästi parempi kuin yhden aallonpituuden mallin (R ²=0.78).

4, häiriöntorjuntasuunnittelu: järjestelmäsuunnittelu kliinisen luotettavuuden varmistamiseksi
Verensokerin seurantalaitteiden on selviydyttävä useista haasteista, kuten ympäristön valosta, sähkömagneettisista häiriöistä ja laitteen melusta. Häiriönestosuunnittelu on optimoitava sekä laitteisto- että algoritmitasolla

Laitteiston suunnittelu:
Optinen suodatus: Asenna kapeakaistainen suodatin valodiodin eteen estämään aallonpituuden ulkopuolisen valon aiheuttamat häiriöt. Esimerkiksi 1310 nm:n suodattimen kaistanleveyttä voidaan ohjata ± 10 nm:n sisällä ja läpäisy on yli 90 %.
Sähkömagneettinen suojaus: Metallikoteloa käytetään valodiodien kapseloimiseen, mikä vähentää 50 Hz:n tehotaajuushäiriöitä. Kokeet ovat osoittaneet, että suojaussuunnittelu voi parantaa signaalin ---kohinasuhdetta (SNR) 20 dB:llä.
Vähäkohinainen vahvistus: JFET-tulooperaatiovahvistinta käytetään transimpedanssin vahvistuspiirin rakentamiseen, mikä pienentää tulokohinan jännitetiheyden arvoon 0,5 nV/√ Hz. Esimerkiksi tietyn mallin verensokerimittarin piirin kokonaismelu on alle 0,3 mV, mikä täyttää 12-bittisen AD-muunnoksen vaatimuksen.
Algoritmin optimointi:
Wavelet-kohinan poisto: hajottaa valovirtasignaali db4-aaltopohjan avulla korkeataajuisen-kohinan suodattamiseksi. Kliiniset testit ovat osoittaneet, että aallokekohinan poistaminen voi parantaa signaalin tasaisuutta 35 %.
Mukautuva suodatus: LMS-algoritmin käyttö suodatinkertoimien dynaamiseen säätämiseen ja ympäristön valon vaihteluiden vaimentamiseen reaaliajassa. Esimerkiksi 1000 luksin taustavalossa mukautuva suodatus voi vähentää tunnistusvirhettä 50 %.
Lämpötilan kompensointi: Tarkkaile valodiodin liitoslämpötilaa termistorin kautta ja korjaa tummavirran ryömintä käyttämällä hakutaulukkomenetelmää. Kokeet ovat osoittaneet, että lämpötilan kompensointi voi stabiloida tunnistusvirheen välillä 25 - 40 astetta alueella ± 8 mg/dl.