چگونه از اندازه گیری دقیق دیودها در مدارهای اکسیمتر اطمینان حاصل کنیم؟

1، LED طول موج دوگانه: سنگ بنای تولید سیگنال دقیق
اکسیمتر از یک LED با طول موج دوگانه با نور قرمز 660 نانومتر و نور مادون قرمز 940 نانومتر استفاده می کند و طراحی آن بر اساس تفاوت در ویژگی های جذب هموگلوبین (Hb) و هموگلوبین اکسیژن دار (HbO2) برای طول موج های مختلف نور است. به طور مشخص:

نور قرمز 660nm: میزان جذب HbO2 کم است، میزان جذب Hb بالا است و شدت سیگنال با محتوای اکسیژن شریانی همبستگی منفی دارد.
نور مادون قرمز 940nm: میزان جذب HbO2 به طور قابل توجهی بالاتر از Hb است و شدت سیگنال با محتوای اکسیژن شریانی همبستگی مثبت دارد.
نکات کلیدی اجرای فنی:

کنترل زمان: برای جلوگیری از تداخل متقابل بین دو سیگنال نور، LED را به طور متناوب (معمولاً با فرکانس 100-500 هرتز) از طریق یک مدار H-bridge روشن کنید. به عنوان مثال، یک مدل خاص از اکسیمتر از سیگنال PWM میکروکنترلر MSP430 برای کنترل تراشه درایور LED استفاده می‌کند و به نورهای قرمز و مادون قرمز متناوب در فواصل 0.5 میلی‌ثانیه دست می‌یابد.
درایو جریان ثابت: استفاده از مدار منبع جریان ثابت برای اطمینان از شدت نور LED پایدار و حذف تداخل نوسانات منبع تغذیه در شدت نور. یک اکسیمتر درجه بالینی از یک مقاومت دقیق (مانند دقت 0.1٪) و یک تقویت کننده عملیاتی برای تشکیل یک حلقه بازخورد استفاده می کند که نوسانات جریان LED را در ± 0.5٪ کنترل می کند.
کالیبراسیون شدت نور: در فرآیند تولید، شدت نور خروجی LED از طریق فیلترهای نوری برای مطابقت با دامنه سیگنال دو طول موج و بهبود دامنه دینامیکی پردازش سیگنال بعدی تنظیم می شود. به عنوان مثال، یک اکسیمتر قابل حمل از یک سیستم کالیبراسیون کره یکپارچه برای کنترل نسبت شدت نور قرمز و مادون قرمز در 0.05 ± 1:1.2 قبل از خروج از کارخانه استفاده می کند.
2، فتودیود: هسته تبدیل فوتوالکتریک با حساسیت بالا-
فتودیودها وظیفه تبدیل سیگنال های نوری ارسال شده از طریق انگشتان به سیگنال های الکتریکی را بر عهده دارند و عملکرد آنها مستقیماً بر نسبت سیگنال به-نویز (SNR) تأثیر می گذارد. پارامترهای فنی کلیدی عبارتند از:

محدوده طول موج پاسخ: برای پاسخ به نور قرمز و مادون قرمز به طور همزمان باید 400-1050 نانومتر را پوشش دهد.
سرعت پاسخ: زمان افزایش باید کمتر از 1 میکرو ثانیه باشد تا تغییرات کوچک در امواج پالس ثبت شود.
جریان تاریک: برای کاهش تداخل نور محیطی باید کمتر از 0.1nA باشد.
موارد کاربردی معمولی:
یک اکسیمتر درجه پزشکی خاص از فتودیود OSRAM SFH 2701 استفاده می کند. هنگامی که بایاس معکوس 5 ولت است، جریان تاریک تنها 0.05 نانو آمپر است و پاسخگویی در 940 نانومتر به 0.55A/W می رسد. این دستگاه با بهینه سازی ساختار اتصال PN و کاهش ظرفیت اتصال به 1.7pF قابلیت پاسخ{7} فرکانس بالا خود را بطور قابل توجهی بهبود می بخشد.

نکات کلیدی طراحی مدار:

تقویت کننده امپدانس ترانس (TIA): سیگنال جریان ضعیف (معمولاً 0.1-10 μ A) یک فوتودیود را به سیگنال ولتاژ تبدیل می کند. به عنوان مثال، یک طراحی خاص از تقویت کننده عملیاتی AD8065 برای ساخت TIA با مقاومت بازخورد 1M Ω استفاده می کند که به سود تبدیل 0.1V/μA دست می یابد.
سرکوب نور محیطی: سرکوب دوگانه تداخل نور محیطی از طریق فیلترهای نوری (مانند فیلترهای باند 660 و 940 نانومتری) و فیلترهای مدار (مانند فیلترهای RC پایین-) انجام می شود. داده های تجربی نشان می دهد که این طرح می تواند تداخل فرکانس توان 50 هرتز را تا 40 دسی بل کاهش دهد.
جبران دما: یک ترمیستور NTC در کنار فتودیود یکپارچه شده است، و بهره TIA در زمان واقعی از طریق یک میکروکنترلر برای جبران تغییر دما تنظیم می‌شود. به عنوان مثال، یک طرح خاص، نوسانات ولتاژ خروجی را در محدوده ± 0.5٪ در محدوده 20- درجه تا 50 درجه کنترل می کند.
3، سرکوب نویز: بهینه سازی کامل لینک از سخت افزار به الگوریتم
سیگنال اکسی متر حاوی چندین منبع نویز است که باید از طریق هماهنگی سخت افزار و الگوریتم سرکوب شوند:

فیلتر سخت افزاری:
پیش تقویت: یک تقویت‌کننده عملیاتی{0}کم (مانند OPA2333، با چگالی نویز ولتاژ ورودی تنها 3.5nV/√ هرتز) برای ساخت TIA و کاهش نویز حرارتی استفاده می‌شود.
فیلتر باند: سیگنال‌های موج پالس 0.7-3 هرتز را از طریق یک فیلتر- مرتبه پایین{3}}ثانیه (فرکانس قطع{{5}فرکانس قطع 11.25 هرتز) و یک-فیلتر مرتبه اول بالا (فرکانس قطع 0.0159 هرتز) استخراج کنید.
بریدگی 50 هرتز: استفاده از یک شبکه T دوگانه یا مدار فیلتر فعال برای سرکوب تداخل فرکانس برق.
فیلتر دیجیتال:
فیلتر FIR: برای حذف صدای فرکانس بالا-و حفظ ویژگی‌های موج پالس استفاده می‌شود.
فیلتر تطبیقی: تنظیم پویا ضرایب فیلتر از طریق الگوریتم LMS برای سرکوب مصنوعات حرکتی. داده‌های تجربی مشخصی نشان می‌دهد که این طرح می‌تواند خطای اندازه‌گیری ناشی از تداخل حرکتی را از ± 5% به ± 1.5% کاهش دهد.
4، جبران پویا: سازگاری با سناریوهای مختلف فیزیولوژیکی و استفاده
برای بهبود جهانی بودن اندازه گیری، اکسی متر باید به صورت دینامیکی سناریوهای زیر را جبران کند:

تفاوت رنگ پوست: پوست تیره جذب نور قوی تری دارد و باید با تنظیم جریان حرکت LED (مانند افزایش از 5 میلی آمپر به 10 میلی آمپر) یا افزایش TIA، تضعیف سیگنال را جبران کرد. یک طرح خاص از یک میکروکنترلر برای نظارت بر ولتاژ خروجی فوتودیودها در زمان واقعی و تنظیم خودکار ضریب بهره استفاده می کند.
وضعیت پرفیوژن پایین: شوک یا هیپوترمی منجر به کاهش دامنه موج پالس می‌شود و نسبت سیگنال به نویز باید با افزایش نرخ نمونه‌برداری (مانند 100 هرتز به 500 هرتز) و افزایش زمان ادغام (مانند 10 میلی‌ثانیه به 10 میلی‌ثانیه) بهبود یابد. یک مطالعه بالینی نشان داد که این رویکرد می تواند میزان موفقیت اندازه گیری بیماران پرفیوژن پایین را از 75٪ به 92٪ افزایش دهد.
جابجایی پروب: با نظارت بر تغییرات دامنه سیگنال (مانند کاهش بیش از 30٪)، یک زنگ هشدار ایجاد می شود تا کاربر را وادار به تعمیر مجدد پروب کند. یک اکسیمتر قابل حمل حسگر شتاب را یکپارچه می کند و تداخل جابجایی را از طریق الگوریتم های تشخیص حرکت سرکوب می کند.
5، اعتبار سنجی بالینی و انطباق استاندارد
اکسیمترهای درجه پزشکی نیاز به اعتبارسنجی بالینی دقیق و انطباق استاندارد دارند:

برازش داده های بالینی: یک منحنی نقشه برداری بین مقدار R (نسبت سیگنال AC/DC نور قرمز به نور مادون قرمز) و SpO2 بر اساس مقدار زیادی از داده های داوطلب ایجاد کنید. به عنوان مثال، منحنی کالیبراسیون یک مدل خاص از اکسیمتر، محدوده SpO ₂ 70٪ -100٪ را با حداکثر خطای کمتر یا مساوی 2٪ پوشش می دهد.
استاندارد IEC 60601-2-20: برای جلوگیری از سوختگی پوست، نیاز است که شدت نور LED از 10mW/cm² تجاوز نکند. در عین حال، مقرر شده است که خطای اندازه گیری نباید از ± 3٪ در محدوده SpO2 70٪ -100٪ تجاوز کند.