Koja je primjena dioda u opremi za praćenje glukoze u krvi?

1, Tehnička bit fotodioda: precizna pretvorba optičkih signala u električne signale
Osnovna funkcija fotodiode je pretvaranje optičkih signala u električne putem fotoelektričnog učinka PN spoja. Kada se svjetlost određene valne duljine zrači na PN spoj, energija fotona pobuđuje elektrone valentnog pojasa da prijeđu u vodljivi pojas, tvoreći parove elektronskih šupljina (fotogenerirani nositelji). Pod djelovanjem obrnutog prednapona, usmjereno kretanje nositelja naboja stvara fotostruju, a njezin intenzitet je linearno povezan sa snagom upadne svjetlosti. Ovaj proces uključuje tri ključna parametra:

Kvantna učinkovitost: izravno određuje učinkovitost fotoelektrične pretvorbe. Na primjer, InGaAs fotodiode mogu postići kvantnu učinkovitost od preko 90% na valnoj duljini od 1310 nm, značajno poboljšavajući mogućnosti detekcije slabog svjetla.
Vrijeme odziva: određuje brzinu kojom uređaj bilježi promjene u koncentraciji glukoze u krvi. Fotodiode tipa PIN skraćuju vrijeme prolaza nosača na razinu pikosekunde optimiziranjem intrinzične debljine sloja, ispunjavajući-zahtjeve praćenja u stvarnom vremenu.
Tamna struja: utječe na točnost detekcije niske koncentracije. Niska tamna struja od 0,3 mm InGaAs PIN fotodioda koju je razvila Beijing Minguang Technology ima tamnu struju manju od 0,1 nA i dobro se ponaša u otkrivanju slabih svjetlosnih signala.
Uzimajući ne-invazivni detektor glukoze u krvi kao primjer, on koristi laserske diode dvostruke valne duljine od 1310 nm i 1550 nm za zračenje kože, a niz fotodioda prima svjetlosni signal difuzne refleksije. Mjerenjem razlika u apsorpciji svjetla na različitim valnim duljinama i njihovim kombiniranjem s algoritmom djelomične regresije najmanjih kvadrata (PLSR), može se eliminirati utjecaj ometajućih tvari poput vode i proteina, čime se postiže točan izračun koncentracije glukoze u krvi.

2, Neinvazivno praćenje glukoze u krvi: tehnološka revolucija potaknuta diodama
Tradicionalno praćenje glukoze u krvi zahtijeva bušenje kože za uzimanje krvi, što predstavlja rizik od infekcije i ne može se kontinuirano pratiti. Proboj diodne tehnologije omogućuje ne-invazivno praćenje, a njezina temeljna načela uključuju:

Metoda apsorpcije bliske infracrvene spektroskopije: Glukoza ima karakteristične apsorpcijske vrhove u rasponu valnih duljina od 750-1850nm. Emitiranjem svjetlosti specifične valne duljine kroz DFB laserske diode, fotodiode detektiraju intenzitet apsorpcije glukoze u tkivnoj tekućini. Na primjer, 1550nm DFB laser koji proizvodi Sichuan Tengguang ima ugrađen-modul kontrole temperature TEC, sa stabilnošću snage boljom od ± 0,5%, osiguravajući dugoročnu pouzdanost praćenja.
Metoda fotoakustičkog učinka: kada laser zrači kožu, glukoza apsorbira svjetlosnu energiju za stvaranje ultrazvučnih valova. Nakon što ultrazvučni senzor uhvati signal, fotodioda pretvara promjenu intenziteta svjetlosti u električni signal. Nosivi uređaj koji je razvilo Sveučilište Tsinghua usvaja niz laserskih dioda s tri valne duljine i obrađuje tri skupa podataka putem DSP fuzije, s preciznošću detekcije od ± 10 mg/dL.
Metoda detekcije optičke rotacije: pomoću karakteristika optičke rotacije glukoze, koncentracija se izračunava mjerenjem kuta otklona propuštene svjetlosti. Organske svjetleće{1}}diode (OLED) kao izvori svjetlosti, u kombinaciji s nizovima fotodioda, mogu postići be-kontaktno otkrivanje i prikladne su za dinamičko praćenje glukoze u krvi.

3, Detekcija fuzije na više valnih duljina: ključna tehnologija za poboljšanje sposobnosti anti-ometanja
Sastav ljudskog tkiva je složen, a karakteristike apsorpcije svjetlosti tvari kao što su voda, proteini i masti slične su glukozi, što može lako uzrokovati unakrsne smetnje. Detekcija fuzije više valnih duljina poboljšava točnost kroz sljedeće strategije:

Optimizacija odabira valne duljine: Eksperimenti su pokazali da kombinacija valnih duljina od 750 nm, 980 nm i 1310 nm može pokriti glavni apsorpcijski vrh glukoze dok izbjegava jako područje apsorpcije vode (1450 nm). Na primjer, određeni model mjerača glukoze u krvi ima dizajn dvostruke valne duljine od 750 nm i 980 nm i eliminira pozadinske smetnje pomoću diferencijalnog algoritma, s greškom detekcije manjom od 15%.
Tehnologija dinamičkog ugađanja: kontroliranjem struje laserske diode za ugađanje unutar raspona od 15 nm, postiže se-hvatanje promjena u vrhovima apsorpcije glukoze u stvarnom vremenu. Sustav fizičke simulacije pokazuje da dinamičko ugađanje može povećati osjetljivost detekcije za 40%.
Kemometrijsko modeliranje: Kombiniranjem parcijalnih najmanjih kvadrata regresije (PLSR) ili algoritama potpornog vektorskog stroja (SVM), uspostavlja se nelinearni model intenziteta apsorpcije svjetla i koncentracije glukoze u krvi. Klinički podaci pokazuju da je koeficijent prediktivne korelacije (R ²) modela fuzije s tri valne duljine 0,92, što je značajno bolje od modela s jednom valnom duljinom (R ² =0.78).

4, dizajn protiv smetnji: inženjering sustava kako bi se osigurala klinička pouzdanost
Oprema za praćenje glukoze u krvi mora se nositi s višestrukim izazovima kao što su svjetlo iz okoline, elektromagnetske smetnje i buka uređaja. Dizajn protiv smetnji treba optimizirati i na razini hardvera i na razini algoritma

Dizajn hardvera:
Optičko filtriranje: Instalirajte uskopojasni filtar ispred fotodiode za suzbijanje smetnji od svjetla neciljne valne duljine. Na primjer, propusnost filtra od 1310 nm može se kontrolirati unutar ± 10 nm, a propusnost je veća od 90%.
Elektromagnetska zaštita: Metalno kućište se koristi za kapsuliranje fotodioda, smanjujući smetnje frekvencije napajanja od 50 Hz. Eksperimenti su pokazali da dizajn oklopa može poboljšati omjer-na-šumu (SNR) za 20dB.
Niskošumno pojačanje: JFET ulazno operacijsko pojačalo koristi se za konstrukciju transimpedancijskog kruga pojačanja, smanjujući gustoću ulaznog napona šuma na 0,5nV/√ Hz. Na primjer, ukupna buka kruga određenog modela mjerača glukoze u krvi manja je od 0,3 mV, što zadovoljava zahtjev 12-bitne AD konverzije.
Optimizacija algoritma:
Wavelet denoising: Rastavite signal fotostruje pomoću db4 wavelet osnove za filtriranje visoko-šuma. Klinički testovi su pokazali da valićno uklanjanje šuma može poboljšati glatkoću signala za 35%.
Prilagodljivo filtriranje: korištenje LMS algoritma za dinamičku prilagodbu koeficijenata filtra i suzbijanje fluktuacija svjetla u okolini u stvarnom vremenu. Na primjer, pod pozadinskim osvjetljenjem od 1000 luksa, prilagodljivo filtriranje može smanjiti grešku detekcije za 50%.
Temperaturna kompenzacija: Pratite temperaturu spoja fotodiode kroz termistor i ispravite pomak tamne struje pomoću metode pregledne tablice. Eksperimenti su pokazali da temperaturna kompenzacija može stabilizirati grešku detekcije unutar raspona od 25 stupnjeva do 40 stupnjeva unutar ± 8 mg/dL.