Как да осигурим точно измерване на диодите в оксиметърните вериги?

1, LED с двойна дължина на вълната: крайъгълният камък на прецизното генериране на сигнал
Оксиметърът използва светодиод с двойна дължина на вълната с 660 nm червена светлина и 940 nm инфрачервена светлина и дизайнът му се основава на разликата в характеристиките на абсорбция на хемоглобина (Hb) и кислородния хемоглобин (HbO ₂) за различни дължини на вълната на светлината. По-конкретно:

660nm червена светлина: скоростта на абсорбция на HbO ₂ е ниска, скоростта на абсорбция на Hb е висока и интензитетът на сигнала е в отрицателна корелация с артериалното съдържание на кислород;
940nm инфрачервена светлина: Скоростта на абсорбция на HbO ₂ е значително по-висока от Hb и интензитетът на сигнала корелира положително с артериалното съдържание на кислород.
Основни точки на техническо изпълнение:

Контрол на времето: Накарайте светодиода да мига последователно (обикновено с честота от 100-500Hz) през H-мостова верига, за да избегнете взаимна интерференция между двата светлинни сигнала. Например, определен модел оксиметър използва PWM сигнала на микроконтролера MSP430, за да управлява светодиодния чип на драйвера, постигайки променливо светене на червена и инфрачервена светлина на интервали от 0,5 ms.
Задвижване с постоянен ток: използване на верига с източник на постоянен ток, за да се осигури стабилен светлинен интензитет на LED и да се елиминира влиянието на колебанията на захранването върху интензитета на светлината. Оксиметър от клиничен клас използва прецизен резистор (като 0,1% точност) и операционен усилвател за образуване на обратна връзка, контролираща флуктуациите на тока на LED в рамките на ± 0,5%.
Калибриране на интензитета на светлината: В производствения процес интензитетът на изходната LED светлина се регулира чрез оптични филтри, за да съответства на амплитудите на сигнала на две дължини на вълната и да подобри динамичния обхват на последващата обработка на сигнала. Например, преносим оксиметър използва система за калибриране на интегрираща сфера, за да контролира съотношението на интензитета на червената и инфрачервената светлина при 1:1,2 ± 0,05, преди да напусне фабриката.
2, Фотодиод: ядрото на високо-чувствителното фотоелектрично преобразуване
Фотодиодите са отговорни за преобразуването на светлинни сигнали, предавани през пръстите, в електрически сигнали и тяхната работа влияе пряко върху съотношението сигнал-към-шум (SNR). Основните технически параметри включват:

Диапазон на дължината на вълната на отговор: Трябва да покрива 400-1050 nm, за да реагира едновременно на червена и инфрачервена светлина;
Скорост на реакция: Времето на нарастване трябва да бъде по-малко от 1 μs за улавяне на малки промени в пулсовите вълни;
Тъмен ток: Трябва да е по-нисък от 0,1nA, за да се намалят светлинните смущения от околната среда.
Типични случаи на приложение:
Определен медицински клас оксиметър използва фотодиод OSRAM SFH 2701. Когато обратното отклонение е 5V, тъмният ток е само 0,05nA, а чувствителността достига 0,55A/W при 940nm. Устройството значително подобрява способността си за високо-честотна реакция чрез оптимизиране на структурата на PN прехода и намаляване на капацитета на прехода до 1,7pF.

Ключови моменти от дизайна на веригата:

Трансимпедансен усилвател (TIA): преобразува слабия токов сигнал (обикновено 0,1-10 μA) на фотодиод в сигнал за напрежение. Например, определен дизайн използва операционен усилвател AD8065 за конструиране на TIA, със съпротивление на обратната връзка от 1M Ω, постигайки коефициент на преобразуване от 0,1 V/μ A.
Потискане на светлината от околната среда: Двойното потискане на смущенията от светлина от околната среда се постига чрез оптични филтри (като 660nm и 940nm лентови филтри) и верижни филтри (като RC ниско-филтри). Експерименталните данни показват, че тази схема може да намали смущенията от 50 Hz мощност с 40 dB.
Температурна компенсация: NTC термистор е интегриран до фотодиода и коефициентът на усилване на TIA се регулира в реално-време чрез микроконтролер, за да се компенсира температурното отклонение. Например, определен дизайн контролира флуктуацията на изходното напрежение в рамките на ± 0,5% в диапазона от -20 градуса до 50 градуса.
3, Потискане на шума: Пълна оптимизация на връзката от хардуера до алгоритъма
Сигналът на оксиметъра съдържа множество източници на шум, които трябва да бъдат потиснати чрез хардуерна и алгоритъмна координация:

Хардуерно филтриране:
Предварително усилване: Операционен усилвател с нисък{0}}шум (като OPA2333, с плътност на шума на входното напрежение от само 3,5nV/√ Hz) се използва за изграждане на TIA и намаляване на топлинния шум;
Лентово филтриране: Извличане на сигнали от пулсова вълна от 0,7-3Hz през втори-нискочестотен-филтър (срязваща-честота 11,25Hz) и първи-високочестотен филтър (срязваща честота 0,0159Hz);
50Hz прорез: използване на двойна T мрежа или активна филтрираща верига за потискане на смущенията на мощността.
Цифрово филтриране:
FIR филтър: използва се за премахване на високо{0}}честотен шум и запазване на характеристиките на пулсовата вълна;
Адаптивно филтриране: динамично регулиране на коефициентите на филтъра чрез LMS алгоритъм за потискане на артефактите при движение. Някои експериментални данни показват, че тази схема може да намали грешката на измерване, причинена от смущения при движение, от ± 5% до ± 1,5%.
4, Динамична компенсация: адаптиране към различни физиологични сценарии и сценарии на използване
За да се подобри универсалността на измерването, оксиметърът трябва динамично да компенсира следните сценарии:

Разлика в цвета на кожата: Тъмната кожа има по-силно поглъщане на светлина и трябва да бъде компенсирана за затихването на сигнала чрез регулиране на захранващия ток на светодиода (като увеличаване от 5 mA на 10 mA) или усилване на TIA. Определен дизайн използва микроконтролер за наблюдение на изходното напрежение на фотодиодите в реално време и автоматично регулиране на коефициента на усилване.
Състояние на ниска перфузия: Шокът или хипотермията води до намаляване на амплитудата на пулсовата вълна и съотношението сигнал-към-шум трябва да се подобри чрез увеличаване на честотата на дискретизация (като от 100Hz на 500Hz) и удължаване на времето за интегриране (като от 100ms на 500ms). Клинично проучване показа, че този подход може да увеличи успеваемостта на измерването при пациенти с ниска перфузия от 75% на 92%.
Изместване на сондата: Чрез наблюдение на промените в амплитудата на сигнала (като намаляване с повече от 30%) се задейства аларма, за да подкани потребителя да коригира отново сондата. Преносим оксиметър интегрира сензор за ускорение и допълнително потиска смущенията при изместване чрез алгоритми за откриване на движение.
5, Клинично валидиране и стандартно съответствие
Медицински оксиметри изискват строго клинично валидиране и стандартно съответствие:

Напасване на клинични данни: Създайте крива на картографиране между R стойност (съотношение на сигнала на червена светлина към инфрачервена светлина AC/DC) и SpO ₂ въз основа на голямо количество данни от доброволци. Например, кривата на калибриране на определен модел оксиметър покрива обхвата на SpO ₂ 70% -100%, с максимална грешка по-малка или равна на 2%.
Стандарт IEC 60601-2-20: изисква интензитетът на LED светлината да не надвишава 10mW/cm², за да се избегнат изгаряния на кожата; В същото време е посочено, че грешката на измерване не трябва да надвишава ± 3% в диапазона SpO ₂ 70% -100%.