Какво е приложението на диодите в оборудването за проследяване на кръвната захар?

1, Техническата същност на фотодиодите: прецизно преобразуване от оптични сигнали в електрически сигнали
Основната функция на фотодиода е да преобразува оптичните сигнали в електрически чрез фотоелектричния ефект на PN преход. Когато светлина с определена дължина на вълната се облъчи върху PN прехода, фотонната енергия възбужда електроните от валентната лента да преминат към проводимата лента, образувайки двойки електронни дупки (фотогенерирани носители). Под действието на обратно отклонение насоченото движение на носителите на заряд генерира фототок и неговият интензитет е линейно свързан с мощността на падащата светлина. Този процес включва три основни параметъра:

Квантова ефективност: директно определя ефективността на фотоелектричното преобразуване. Например, фотодиодите InGaAs могат да постигнат квантова ефективност от над 90% при дължина на вълната от 1310 nm, което значително подобрява възможностите за откриване на слаба светлина.
Време за реакция: определя скоростта, с която устройството улавя промените в концентрацията на кръвната захар. Фотодиодите тип PIN съкращават времето за преминаване на носителя до пикосекундно ниво чрез оптимизиране на присъщата дебелина на слоя, отговаряйки на-изискванията за мониторинг в реално време.
Тъмен ток: влияе върху точността на откриване на ниска концентрация. Ниският тъмен ток 0,3 mm InGaAs PIN фотодиод, разработен от Beijing Minguang Technology, има тъмен ток по-малък от 0,1 nA и се представя добре при откриване на слаби светлинни сигнали.
Като вземем за пример не{0}}инвазивния детектор за кръвна захар, той използва лазерни диоди с двойна дължина на вълната от 1310 nm и 1550 nm за облъчване на кожата, а фотодиодната матрица получава светлинния сигнал с дифузно отражение. Чрез измерване на разликите в абсорбцията на светлина при различни дължини на вълната и комбинирането им с алгоритъма на частична регресия на най-малките квадрати (PLSR), влиянието на смущаващи вещества като вода и протеини може да бъде елиминирано, постигайки точно изчисляване на концентрацията на кръвната захар.

2, Неинвазивен мониторинг на кръвната захар: технологична революция, движена от диоди
Традиционното проследяване на кръвната захар изисква пробиване на кожата за вземане на кръв, което представлява риск от инфекция и не може да бъде непрекъснато наблюдавано. Пробивът на диодната технология прави възможно не-инвазивното наблюдение и нейните основни принципи включват:

Метод на абсорбция на близка инфрачервена спектроскопия: Глюкозата има характерни пикове на абсорбция в обхвата на дължина на вълната 750-1850nm. Чрез излъчване на светлина със специфична дължина на вълната през DFB лазерни диоди, интензитетът на абсорбция на глюкозата в тъканната течност се открива от фотодиодите. Например, 1550nm DFB лазер, произведен от Sichuan Tengguang, има вграден-в TEC модул за контрол на температурата, със стабилност на мощността, по-добра от ± 0,5%, гарантираща дългосрочна надеждност на мониторинга.
Метод с фотоакустичен ефект: Когато лазерът облъчва кожата, глюкозата абсорбира светлинна енергия, за да генерира ултразвукови вълни. След като ултразвуковият сензор улови сигнала, фотодиодът преобразува промяната в интензитета на светлината в електрически сигнал. Устройството за носене, разработено от университета Цинхуа, използва масив от лазерни диоди с три дължини на вълната и обработва три набора от данни чрез синтез на DSP с точност на откриване от ± 10 mg/dL.
Метод за откриване на оптично въртене: Като се използват характеристиките на оптичното въртене на глюкозата, концентрацията се изчислява чрез измерване на ъгъла на отклонение на пропуснатата светлина. Органичните светодиоди (OLED) като източници на светлина, комбинирани с фотодиодни масиви, могат да постигнат безконтактно откриване и са подходящи за динамично проследяване на кръвната захар.

3, Откриване на сливане с много дължини на вълните: ключова технология за подобряване на способността за анти{1}}смущения
Съставът на човешката тъкан е сложен и характеристиките на поглъщане на светлина на вещества като вода, протеини и мазнини са подобни на глюкозата, което лесно може да причини кръстосани смущения. Откриването на сливане на дължини на вълната подобрява точността чрез следните стратегии:

Оптимизиране на избора на дължина на вълната: Експериментите показват, че комбинацията от дължини на вълните 750 nm, 980 nm и 1310 nm може да покрие основния пик на абсорбция на глюкозата, като същевременно избягва областта на силна абсорбция на водата (1450 nm). Например, определен модел глюкомер приема дизайн с двойна дължина на вълната от 750 nm и 980 nm и елиминира фоновите смущения чрез диференциален алгоритъм с грешка при откриване под 15%.
Технология за динамична настройка: Чрез контролиране на тока на лазерния диод за настройка в рамките на диапазон от 15 nm се постига-улавяне в реално време на промените в пиковете на абсорбция на глюкоза. Системата за физическа симулация показва, че динамичната настройка може да увеличи чувствителността на откриване с 40%.
Хемометрично моделиране: Комбиниране на частична регресия на най-малките квадрати (PLSR) или алгоритми на поддържаща векторна машина (SVM), установява нелинеен модел на интензитета на абсорбция на светлина и концентрацията на кръвна захар. Клиничните данни показват, че прогнозният коефициент на корелация (R ²) на модела на синтез с три дължини на вълната е 0,92, значително по-добър от този на модела с една дължина на вълната (R ²=0.78).

4, Дизайн против смущения: системно инженерство за осигуряване на клинична надеждност
Оборудването за мониторинг на кръвната захар трябва да се справя с множество предизвикателства, като светлина от околната среда, електромагнитни смущения и шум от устройството. Дизайнът против смущения трябва да бъде оптимизиран както от хардуерно, така и от алгоритъмно ниво

Хардуерен дизайн:
Оптично филтриране: Инсталирайте теснолентов филтър пред фотодиода, за да потиснете смущенията от светлина с нецелева дължина на вълната. Например, честотната лента на 1310nm филтър може да се контролира в рамките на ± 10nm, а пропускливостта е по-голяма от 90%.
Електромагнитно екраниране: Металният корпус се използва за капсулиране на фотодиоди, намалявайки смущенията от 50Hz мощност. Експериментите показват, че дизайнът на екрана може да подобри съотношението сигнал-към-шум (SNR) с 20 dB.
Усилване с нисък шум: Входен операционен усилвател JFET се използва за конструиране на верига за трансимпедансно усилване, намаляваща плътността на напрежението на входния шум до 0,5nV/√ Hz. Например, общият шум на веригата на определен модел глюкомер е по-малък от 0,3 mV, което отговаря на изискването за 12-битово AD преобразуване.
Оптимизация на алгоритъма:
Wavelet denoising: Декомпозирайте фототоковия сигнал с помощта на db4 wavelet основата, за да филтрирате високо-честотния шум. Клиничните тестове са показали, че вълновото премахване на шума може да подобри гладкостта на сигнала с 35%.
Адаптивно филтриране: Използване на LMS алгоритъм за динамично регулиране на коефициентите на филтъра и потискане на светлинните колебания в околната среда в реално време. Например, при фонова светлина от 1000 lux, адаптивното филтриране може да намали грешката при откриване с 50%.
Температурна компенсация: Наблюдавайте температурата на свързване на фотодиода чрез термистор и коригирайте дрейфа на тъмния ток, като използвате метода на справочна таблица. Експериментите показват, че температурната компенсация може да стабилизира грешката на откриване в диапазона от 25 градуса до 40 градуса в рамките на ± 8 mg/dL.