کاربرد دیودها در تجهیزات اندازه گیری قند خون چیست؟

1، ماهیت فنی فوتودیودها: تبدیل دقیق سیگنال های نوری به سیگنال های الکتریکی
وظیفه اصلی یک فتودیود تبدیل سیگنال های نوری به سیگنال های الکتریکی از طریق اثر فوتوالکتریک یک اتصال PN است. هنگامی که نور با طول موج خاصی به محل اتصال PN تابش می‌کند، انرژی فوتون، الکترون‌های باند ظرفیتی را تحریک می‌کند تا به نوار رسانایی منتقل شوند و جفت‌های حفره الکترونی (حامل‌های تولید عکس) را تشکیل می‌دهند. تحت عمل بایاس معکوس، حرکت جهتی حامل‌های بار جریان نوری ایجاد می‌کند و شدت آن به طور خطی با قدرت نور فرودی مرتبط است. این فرآیند شامل سه پارامتر کلیدی است:

بازده کوانتومی: به طور مستقیم بازده تبدیل فوتوالکتریک را تعیین می کند. به عنوان مثال، فتودیودهای InGaAs می توانند بازده کوانتومی بیش از 90 درصد در طول موج 1310 نانومتر را به دست آورند که به طور قابل توجهی قابلیت تشخیص نور ضعیف را بهبود می بخشد.
زمان پاسخ: سرعتی را که دستگاه با آن تغییرات غلظت گلوکز خون را ثبت می کند، تعیین می کند. دیودهای نوری نوع پین با بهینه‌سازی ضخامت لایه ذاتی، زمان انتقال حامل را به سطح پیکوثانیه کوتاه می‌کنند و الزامات نظارت بر زمان واقعی را برآورده می‌کنند.
جریان تاریک: بر دقت تشخیص غلظت کم تأثیر می گذارد. جریان تاریک 0.3 میلی متری InGaAs PIN فوتودیود توسعه یافته توسط Beijing Minguang Technology دارای جریان تاریک کمتر از 0.1nA است و در تشخیص سیگنال های نور ضعیف عملکرد خوبی دارد.
با در نظر گرفتن آشکارساز غیرتهاجمی قند خون به عنوان مثال، از دیودهای لیزری با طول موج دوگانه 1310 نانومتر و 1550 نانومتر برای تابش پوست استفاده می‌کند و آرایه دیود نوری سیگنال نور بازتاب منتشر را دریافت می‌کند. با اندازه گیری تفاوت جذب نور در طول موج های مختلف و ترکیب آنها با الگوریتم رگرسیون حداقل مربعات جزئی (PLSR)، می توان تأثیر مواد مزاحم مانند آب و پروتئین را حذف کرد و به محاسبه دقیق غلظت گلوکز خون دست یافت.

2، نظارت غیر تهاجمی قند خون: یک انقلاب تکنولوژیکی که توسط دیودها هدایت می شود
پایش سنتی قند خون نیاز به سوراخ کردن پوست برای جمع‌آوری خون دارد که خطر عفونت را به همراه دارد و نمی‌توان آن را به طور مداوم کنترل کرد. پیشرفت فناوری دیود، نظارت غیر تهاجمی را ممکن می‌سازد و اصول اصلی آن عبارتند از:

روش جذب طیف‌سنجی مادون قرمز نزدیک: گلوکز دارای پیک‌های جذب مشخصه در محدوده طول موج 750{4}}1850 نانومتر است. با تابش نور با طول موج خاص از طریق دیودهای لیزر DFB، شدت جذب گلوکز در مایع بافت توسط دیودهای نوری تشخیص داده می شود. برای مثال، لیزر 1550 نانومتری DFB تولید شده توسط Sichuan Tengguang دارای یک ماژول کنترل دمای TEC داخلی است، با پایداری توان بهتر از 0.5% که از قابلیت اطمینان نظارت طولانی مدت اطمینان می‌دهد.
روش اثر فوتوآکوستیک: هنگامی که لیزر به پوست تابش می کند، گلوکز انرژی نور را برای تولید امواج اولتراسوند جذب می کند. پس از اینکه سنسور اولتراسونیک سیگنال را گرفت، فتودیود تغییر شدت نور را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. دستگاه پوشیدنی توسعه یافته توسط دانشگاه Tsinghua از یک آرایه دیود لیزری سه طول موج استفاده می کند و سه مجموعه داده را از طریق همجوشی DSP، با دقت تشخیص ± 10mg/dL پردازش می کند.
روش تشخیص چرخش نوری: با استفاده از ویژگی های چرخش نوری گلوکز، غلظت با اندازه گیری زاویه انحراف نور عبوری محاسبه می شود. دیودهای ساطع کننده نور آلی (OLED) به عنوان منابع نور، همراه با آرایه‌های فتودیود، می‌توانند به تشخیص غیر تماسی دست یابند و برای پایش دینامیک قند خون مناسب هستند.

3، تشخیص همجوشی چند طول موج: یک فناوری کلیدی برای افزایش توانایی ضد تداخل-
ترکیب بافت انسان پیچیده است و ویژگی های جذب نور موادی مانند آب، پروتئین و چربی شبیه گلوکز است که به راحتی می تواند باعث تداخل متقاطع شود. تشخیص همجوشی چند طول موجی، دقت را از طریق استراتژی‌های زیر بهبود می‌بخشد:

بهینه سازی انتخاب طول موج: آزمایش ها نشان داده اند که ترکیب طول موج های 750 نانومتر، 980 نانومتر و 1310 نانومتر می تواند پیک جذب اصلی گلوکز را پوشش دهد و در عین حال از ناحیه جذب قوی آب (1450 نانومتر) اجتناب کند. به عنوان مثال، یک مدل معین از اندازه‌گیری قند خون از طراحی طول موج دوگانه 750 نانومتر و 980 نانومتر استفاده می‌کند و تداخل پس‌زمینه را از طریق الگوریتم دیفرانسیل با خطای تشخیص کمتر از 15 درصد حذف می‌کند.
فناوری تنظیم پویا: با کنترل جریان دیود لیزر برای تنظیم در محدوده 15 نانومتر،{1}}تغییر زمان واقعی تغییرات در پیک های جذب گلوکز به دست می آید. سیستم شبیه سازی فیزیکی نشان می دهد که تنظیم پویا می تواند حساسیت تشخیص را تا 40 درصد افزایش دهد.
مدل‌سازی شیمی‌سنجی: ترکیب رگرسیون حداقل مربعات جزئی (PLSR) یا الگوریتم‌های ماشین بردار پشتیبان (SVM)، یک مدل غیرخطی از شدت جذب نور و غلظت گلوکز خون ایجاد می‌کند. داده‌های بالینی نشان می‌دهند که ضریب همبستگی پیش‌بینی‌کننده (R2) مدل همجوشی سه طول موج 0.92 است که به طور قابل‌توجهی بهتر از مدل تک طول موج (R²=0.78) است.

4، طراحی ضد تداخل: مهندسی سیستم برای اطمینان از قابلیت اطمینان بالینی
تجهیزات پایش قند خون باید با چالش های متعددی مانند نور محیطی، تداخل الکترومغناطیسی و صدای دستگاه مقابله کنند. طراحی ضد تداخل باید از هر دو سطح سخت افزار و الگوریتم بهینه شود

طراحی سخت افزار:
فیلتر نوری: یک فیلتر باند باریک در جلوی فتودیود نصب کنید تا تداخل نور با طول موج غیر هدف را مهار کند. به عنوان مثال، پهنای باند یک فیلتر 1310 نانومتری را می توان در ± 10 نانومتر کنترل کرد و انتقال بیشتر از 90٪ است.
محافظ الکترومغناطیسی: پوشش فلزی برای محصور کردن فتودیودها استفاده می شود و تداخل فرکانس برق 50 هرتز را کاهش می دهد. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که طراحی محافظ می‌تواند نسبت سیگنال به-نسبت سیگنال به نویز (SNR) را 20 دسی‌بل بهبود بخشد.
تقویت نویز کم: یک تقویت کننده عملیاتی ورودی JFET برای ساخت یک مدار تقویت کننده ترانس امپدانس استفاده می شود که چگالی ولتاژ نویز ورودی را به 0.5nV/√Hz کاهش می دهد. به عنوان مثال، کل نویز مدار یک مدل مشخص از دستگاه اندازه گیری قند خون کمتر از 0.3 میلی ولت است که نیاز تبدیل 12 بیتی AD را برآورده می کند.
بهینه سازی الگوریتم:
حذف نویز موجک: سیگنال جریان نوری را با استفاده از مبنای موجک db4 تجزیه کنید تا نویز فرکانس بالا- را فیلتر کنید. آزمایش‌های بالینی نشان داده‌اند که حذف نویز موجک می‌تواند صافی سیگنال را تا 35 درصد بهبود بخشد.
فیلتر تطبیقی: با استفاده از الگوریتم LMS برای تنظیم پویا ضرایب فیلتر و سرکوب نوسانات نور محیطی در زمان واقعی. به عنوان مثال، تحت نور پس زمینه 1000 لوکس، فیلتر تطبیقی ​​می تواند خطای تشخیص را تا 50٪ کاهش دهد.
جبران دما: دمای اتصال فتودیود را از طریق ترمیستور کنترل کنید و با استفاده از روش جدول جستجو، رانش جریان تاریک را اصلاح کنید. آزمایش ها نشان داده اند که جبران دما می تواند خطای تشخیص را در محدوده 25 درجه تا 40 درجه در ± 8 میلی گرم در دسی لیتر تثبیت کند.