Яке застосування діодів в апаратурі для контролю рівня глюкози в крові?

1. Технічна сутність фотодіодів: точне перетворення оптичних сигналів в електричні
Основною функцією фотодіода є перетворення оптичних сигналів в електричні через фотоелектричний ефект PN-переходу. Коли світло певної довжини хвилі випромінюється на PN-перехід, енергія фотонів збуджує електрони валентної зони для переходу в зону провідності, утворюючи електронні діркові пари (фотогенеровані носії). Під дією зворотного зміщення спрямований рух носіїв заряду створює фотострум, інтенсивність якого лінійно залежить від потужності падаючого світла. Цей процес включає три ключові параметри:

Квантова ефективність: безпосередньо визначає ефективність фотоелектричного перетворення. Наприклад, фотодіоди InGaAs можуть досягти квантової ефективності понад 90% на довжині хвилі 1310 нм, значно покращуючи можливості виявлення слабкого світла.
Час відгуку: визначає швидкість, з якою пристрій фіксує зміни концентрації глюкози в крові. Фотодіоди типу PIN скорочують час проходження несучої до рівня пікосекунд за рахунок оптимізації власної товщини шару, відповідаючи-вимогам моніторингу в реальному часі.
Темновий струм: впливає на точність визначення низької концентрації. Фотодіод PIN із низьким темновим струмом 0,3 мм InGaAs, розроблений компанією Beijing Minguang Technology, має темновий струм менше 0,1 нА і добре виявляє слабкі світлові сигнали.
Візьмемо як приклад не{0}}інвазивний детектор глюкози в крові. Він використовує лазерні діоди з подвійною довжиною хвилі 1310 нм і 1550 нм для опромінення шкіри, а матриця фотодіодів отримує світловий сигнал дифузного відбиття. Вимірюючи різницю поглинання світла на різних довжинах хвиль і поєднуючи їх з алгоритмом часткової регресії найменших квадратів (PLSR), можна усунути вплив заважаючих речовин, таких як вода та білок, досягнувши точного розрахунку концентрації глюкози в крові.

2. Неінвазивний моніторинг рівня глюкози в крові: технологічна революція завдяки діодам
Традиційний моніторинг рівня глюкози в крові вимагає проколу шкіри для взяття крові, що створює ризик інфікування та не може постійно контролюватися. Прорив у діодній технології робить можливим не-інвазивний моніторинг, а його основні принципи включають:

Метод поглинання ближньої інфрачервоної спектроскопії: Глюкоза має характерні піки поглинання в діапазоні довжин хвиль 750-1850 нм. Випромінюючи світло певної довжини хвилі через лазерні діоди DFB, фотодіоди виявляють інтенсивність поглинання глюкози в тканинній рідині. Наприклад, лазер DFB 1550 нм, вироблений компанією Sichuan Tengguang, має вбудований-модуль контролю температури TEC зі стабільністю потужності, кращою за ± 0,5%, що забезпечує довгострокову надійність моніторингу.
Метод фотоакустичного ефекту: коли лазер опромінює шкіру, глюкоза поглинає світлову енергію для генерації ультразвукових хвиль. Після того, як ультразвуковий датчик зафіксує сигнал, фотодіод перетворює зміну інтенсивності світла в електричний сигнал. Носимий пристрій, розроблений Університетом Цінхуа, використовує матрицю лазерних діодів із трьома довжинами хвилі та обробляє три набори даних за допомогою синтезу DSP з точністю виявлення ± 10 мг/дл.
Метод виявлення оптичного обертання: використовуючи характеристики оптичного обертання глюкози, концентрація обчислюється шляхом вимірювання кута відхилення світла, що проходить. Органічні світловипромінювальні діоди (OLED) як джерела світла в поєднанні з матрицями фотодіодів можуть досягти безконтактного виявлення та підходять для динамічного моніторингу рівня глюкози в крові.

3. Виявлення термоядерного синтезу на кількох довжинах хвиль: ключова технологія для покращення здатності проти-перешкод
Склад людської тканини складний, а характеристики поглинання світла такими речовинами, як вода, білок і жир, подібні до глюкози, що може легко спричинити перехресні перешкоди. Виявлення злиття на кількох довжинах хвиль підвищує точність за допомогою таких стратегій:

Оптимізація вибору довжини хвилі: експерименти показали, що комбінація довжин хвиль 750 нм, 980 нм і 1310 нм може покрити основний пік поглинання глюкози, уникаючи області сильного поглинання води (1450 нм). Наприклад, певна модель глюкометра використовує подвійну довжину хвилі 750 нм і 980 нм і усуває фонові перешкоди за допомогою диференціального алгоритму з похибкою визначення менше 15%.
Технологія динамічного налаштування: керуючи струмом лазерного діода для налаштування в діапазоні 15 нм, досягається-фіксація змін у піках поглинання глюкози в реальному часі. Система фізичного моделювання показує, що динамічне налаштування може збільшити чутливість виявлення на 40%.
Хемометричне моделювання: комбінування алгоритмів часткової регресії найменших квадратів (PLSR) або опорних векторних машин (SVM) створює нелінійну модель інтенсивності поглинання світла та концентрації глюкози в крові. Клінічні дані показують, що прогностичний коефіцієнт кореляції (R ²) моделі синтезу з трьома довжинами хвилі становить 0,92, що значно краще, ніж у моделі з однією довжиною хвилі (R ²=0.78).

4, Дизайн проти перешкод: розробка системи для забезпечення клінічної надійності
Обладнання для моніторингу рівня глюкози в крові повинно справлятися з багатьма проблемами, такими як навколишнє освітлення, електромагнітні перешкоди та шум пристрою. Розробку захисту від перешкод необхідно оптимізувати як на апаратному рівні, так і на рівні алгоритму

Дизайн обладнання:
Оптична фільтрація: встановіть вузькосмуговий фільтр перед фотодіодом, щоб придушити перешкоди від світла нецільової довжини хвилі. Наприклад, пропускну здатність фільтра 1310 нм можна контролювати в межах ± 10 нм, а пропускна здатність перевищує 90%.
Електромагнітне екранування: металевий корпус використовується для інкапсуляції фотодіодів, що зменшує частотні перешкоди 50 Гц. Експерименти показали, що конструкція екранування може покращити співвідношення сигнал-до-шуму (SNR) на 20 дБ.
Посилення з низьким рівнем шуму: вхідний операційний підсилювач JFET використовується для побудови схеми трансімпедансного підсилення, що знижує щільність вхідної шумової напруги до 0,5 нВ/√ Гц. Наприклад, загальний шум схеми певної моделі глюкометра становить менше 0,3 мВ, що відповідає вимозі 12-бітного перетворення AD.
Оптимізація алгоритму:
Усунення вейвлет-шуму: розкладіть сигнал фотоструму за допомогою вейвлет-основи db4, щоб відфільтрувати високочастотний-шум. Клінічні випробування показали, що вейвлет-приглушення може покращити плавність сигналу на 35%.
Адаптивна фільтрація: використання алгоритму LMS для динамічного налаштування коефіцієнтів фільтрації та придушення коливань світла в навколишньому середовищі в реальному часі. Наприклад, при фоновому освітленні 1000 люкс адаптивна фільтрація може зменшити помилку виявлення на 50%.
Температурна компенсація: контролюйте температуру переходу фотодіода через термістор і виправляйте дрейф темнового струму за допомогою методу пошукової таблиці. Експерименти показали, що температурна компенсація може стабілізувати помилку виявлення в діапазоні від 25 градусів до 40 градусів у межах ± 8 мг/дл.