Koja je primjena dioda u opremi za mjerenje glukoze u krvi?

1, Tehnička suština fotodioda: precizna konverzija optičkih signala u električne signale
Osnovna funkcija fotodiode je pretvaranje optičkih signala u električne signale putem fotoelektričnog efekta PN spoja. Kada se svetlost određene talasne dužine ozrači na PN spoj, energija fotona pobuđuje elektrone valentnog pojasa da pređu u provodni pojas, formirajući parove elektronskih rupa (fotografski generisani nosači). Pod dejstvom reverzne pristranosti, usmereno kretanje nosača naelektrisanja generiše fotostruju, a njen intenzitet je linearno povezan sa snagom upadne svetlosti. Ovaj proces uključuje tri ključna parametra:

Kvantna efikasnost: direktno određuje efikasnost fotoelektrične konverzije. Na primjer, InGaAs fotodiode mogu postići kvantnu efikasnost od preko 90% na talasnoj dužini od 1310 nm, značajno poboljšavajući sposobnost detekcije slabe svjetlosti.
Vrijeme odziva: određuje brzinu kojom uređaj bilježi promjene u koncentraciji glukoze u krvi. fotodiode tipa PIN skraćuju vrijeme prolaska nosioca na nivo pikosekunde optimizacijom unutrašnje debljine sloja, ispunjavajući zahtjeve za praćenje u stvarnom{1}}vremenu.
Tamna struja: utiče na preciznost detekcije niske koncentracije. Niska tamna struja 0,3 mm InGaAs PIN fotodioda koju je razvila kompanija Beijing Minguang Technology ima tamnu struju manju od 0,1 nA i dobro se ponaša u detekciji slabih svjetlosnih signala.
Uzimajući za primjer ne-invazivni detektor glukoze u krvi, on koristi laserske diode dvostruke talasne dužine od 1310 nm i 1550 nm za zračenje kože, a fotodiodni niz prima svjetlosni signal difuzne refleksije. Mjerenjem apsorpcijskih razlika svjetlosti na različitim talasnim dužinama i njihovim kombinovanjem sa algoritmom parcijalne regresije najmanjih kvadrata (PLSR), uticaj interferirajućih supstanci kao što su voda i proteini mogu se eliminisati, postižući tačan proračun koncentracije glukoze u krvi.

2, Neinvazivno praćenje glukoze u krvi: tehnološka revolucija potaknuta diodama
Tradicionalno praćenje glukoze u krvi zahtijeva punkciju kože radi uzimanja krvi, što predstavlja rizik od infekcije i ne može se kontinuirano pratiti. Proboj diodne tehnologije čini mogućim ne-invazivno praćenje, a njegovi osnovni principi uključuju:

Metoda apsorpcije bliske infracrvene spektroskopije: Glukoza ima karakteristične apsorpcione vrhove u opsegu talasnih dužina od 750-1850nm. Emitovanjem svjetlosti određene valne dužine kroz DFB laserske diode, fotodiode detektuju intenzitet apsorpcije glukoze u tkivnoj tekućini. Na primjer, 1550nm DFB laser koji proizvodi Sichuan Tengguang ima ugrađen-modul za kontrolu temperature TEC, sa stabilnošću snage boljom od ± 0,5%, osiguravajući dugoročnu pouzdanost praćenja.
Metoda fotoakustičnog efekta: Kada laser ozrači kožu, glukoza apsorbira svjetlosnu energiju i stvara ultrazvučne valove. Nakon što ultrazvučni senzor uhvati signal, fotodioda pretvara promjenu intenziteta svjetlosti u električni signal. Nosivi uređaj koji je razvio Univerzitet Tsinghua usvaja niz laserskih dioda sa tri talasne dužine i obrađuje tri seta podataka putem DSP fuzije, sa preciznošću detekcije od ± 10 mg/dL.
Metoda detekcije optičke rotacije: Koristeći karakteristike optičke rotacije glukoze, koncentracija se izračunava mjerenjem ugla otklona propuštene svjetlosti. Organske-diode koje emituju svjetlost (OLED) kao izvori svjetlosti, u kombinaciji sa nizovima fotodioda, mogu postići be-detekciju bez kontakta i pogodne su za dinamičko praćenje glukoze u krvi.

3, detekcija fuzije na više talasnih dužina: ključna tehnologija za poboljšanje sposobnosti protiv -smetnji
Sastav ljudskog tkiva je složen, a karakteristike apsorpcije svjetlosti tvari kao što su voda, proteini i masti su slične glukozi, što lako može uzrokovati unakrsne smetnje. Detekcija fuzije na više talasnih dužina poboljšava preciznost kroz sledeće strategije:

Optimizacija odabira talasne dužine: Eksperimenti su pokazali da kombinacija talasnih dužina od 750 nm, 980 nm i 1310 nm može pokriti glavni apsorpcioni vrh glukoze, izbegavajući oblast jake apsorpcije vode (1450 nm). Na primjer, određeni model merača glukoze u krvi usvaja dizajn dvostruke talasne dužine od 750 nm i 980 nm, i eliminiše pozadinske smetnje kroz diferencijalni algoritam, sa greškom detekcije manjom od 15%.
Tehnologija dinamičkog podešavanja: Kontrolisanjem struje laserske diode za podešavanje u opsegu od 15 nm, postiže se-hvatanje promjena u apsorpcijskim vrhovima glukoze u stvarnom vremenu. Sistem fizičke simulacije pokazuje da dinamičko podešavanje može povećati osjetljivost detekcije za 40%.
Hemometrijsko modeliranje: Kombinovanjem parcijalnih najmanjih kvadrata regresije (PLSR) ili algoritama mašine za podršku vektorima (SVM), uspostavite nelinearni model intenziteta apsorpcije svetlosti i koncentracije glukoze u krvi. Klinički podaci pokazuju da je prediktivni koeficijent korelacije (R²) fuzionog modela sa tri talasne dužine 0,92, što je značajno bolje nego kod modela sa jednom talasnom dužinom (R²=0.78).

4, dizajn protiv interferencije: sistemski inženjering kako bi se osigurala klinička pouzdanost
Oprema za praćenje glukoze u krvi treba da se nosi s višestrukim izazovima kao što su svjetlo okoline, elektromagnetne smetnje i buka uređaja. Dizajn protiv smetnji mora biti optimiziran i na nivou hardvera i na nivou algoritma

Dizajn hardvera:
Optičko filtriranje: Instalirajte uskopojasni filter ispred fotodiode da biste suzbili smetnje od svjetlosti neciljne valne dužine. Na primjer, širina pojasa filtera od 1310 nm može se kontrolisati unutar ± 10 nm, a propusnost je veća od 90%.
Elektromagnetna zaštita: Metalno kućište se koristi za kapsuliranje fotodioda, smanjujući smetnje frekvencije snage 50Hz. Eksperimenti su pokazali da dizajn oklopa može poboljšati omjer signala-i-šuma (SNR) za 20 dB.
Pojačanje sa niskim nivoom šuma: JFET ulazno operaciono pojačalo se koristi za konstruisanje kola za pojačavanje transimpedancije, smanjujući gustinu ulaznog napona buke na 0,5nV/√Hz. Na primjer, ukupni šum kola određenog modela merača glukoze u krvi je manji od 0,3 mV, što ispunjava zahtjev 12-bitne AD konverzije.
Optimizacija algoritma:
Denoising talasa: Dekomponujte signal fotostruje koristeći osnovu db4 talasa za filtriranje visoko-šuma. Klinička ispitivanja su pokazala da otpuštanje talasa može poboljšati glatkoću signala za 35%.
Prilagodljivo filtriranje: korištenje LMS algoritma za dinamičko prilagođavanje koeficijenata filtera i suzbijanje fluktuacija svjetla okoline u realnom vremenu. Na primjer, pod pozadinskim svjetlom od 1000 luxa, adaptivno filtriranje može smanjiti grešku detekcije za 50%.
Temperaturna kompenzacija: Nadgledajte temperaturu spoja fotodiode kroz termistor i ispravite odstupanje tamne struje koristeći metodu tabele traženja. Eksperimenti su pokazali da temperaturna kompenzacija može stabilizovati grešku detekcije u rasponu od 25 stepeni do 40 stepeni u okviru ± 8mg/dL.