Πώς να διασφαλίσετε την ακριβή μέτρηση των διόδων σε κυκλώματα οξύμετρου;

1, LED διπλού μήκους κύματος: ο ακρογωνιαίος λίθος της ακριβούς παραγωγής σήματος
Το οξύμετρο υιοθετεί LED διπλού μήκους κύματος με κόκκινο φως 660 nm και υπέρυθρο φως 940 nm και ο σχεδιασμός του βασίζεται στη διαφορά στα χαρακτηριστικά απορρόφησης της αιμοσφαιρίνης (Hb) και της οξυγονωμένης αιμοσφαιρίνης (HbO 2) για διαφορετικά μήκη κύματος φωτός. Ειδικά:

Κόκκινο φως 660 nm: Ο ρυθμός απορρόφησης HbO 2 είναι χαμηλός, ο ρυθμός απορρόφησης Hb είναι υψηλός και η ένταση του σήματος συσχετίζεται αρνητικά με την περιεκτικότητα σε οξυγόνο των αρτηριών.
Υπέρυθρο φως 940 nm: Ο ρυθμός απορρόφησης HbO 2 είναι σημαντικά υψηλότερος από το Hb και η ένταση του σήματος συσχετίζεται θετικά με την περιεκτικότητα σε αρτηριακό οξυγόνο.
Βασικά σημεία τεχνικής υλοποίησης:

Έλεγχος χρονισμού: Οδηγήστε το LED να αναβοσβήνει εναλλάξ (συνήθως σε συχνότητα 100-500 Hz) μέσω ενός κυκλώματος γέφυρας H για να αποφύγετε την αμοιβαία παρεμβολή μεταξύ των δύο φωτεινών σημάτων. Για παράδειγμα, ένα συγκεκριμένο μοντέλο οξυμέτρου χρησιμοποιεί το σήμα PWM του μικροελεγκτή MSP430 για τον έλεγχο του τσιπ οδηγού LED, επιτυγχάνοντας εναλλασσόμενο φωτισμό κόκκινου και υπέρυθρου φωτός σε διαστήματα 0,5ms.
Μονάδα μετάδοσης κίνησης σταθερού ρεύματος: χρήση κυκλώματος πηγής σταθερού ρεύματος για τη διασφάλιση σταθερής φωτεινής έντασης LED και την εξάλειψη των παρεμβολών από τις διακυμάνσεις της τροφοδοσίας ρεύματος στην ένταση του φωτός. Ένα οξύμετρο κλινικής ποιότητας χρησιμοποιεί μια αντίσταση ακριβείας (όπως ακρίβεια 0,1%) και έναν λειτουργικό ενισχυτή για να σχηματίσει έναν βρόχο ανάδρασης, που ελέγχει τις διακυμάνσεις ρεύματος LED εντός ± 0,5%.
Βαθμονόμηση έντασης φωτός: Στη διαδικασία παραγωγής, η ένταση φωτός εξόδου LED ρυθμίζεται μέσω οπτικών φίλτρων για να ταιριάζει με τα πλάτη σήματος δύο μηκών κύματος και να βελτιώνει το δυναμικό εύρος της επακόλουθης επεξεργασίας σήματος. Για παράδειγμα, ένα φορητό οξύμετρο χρησιμοποιεί ένα ενσωματωμένο σύστημα βαθμονόμησης σφαίρας για τον έλεγχο της αναλογίας έντασης του κόκκινου και του υπέρυθρου φωτός σε 1:1,2 ± 0,05 πριν φύγει από το εργοστάσιο.
2, Φωτοδίοδος: ο πυρήνας της φωτοηλεκτρικής μετατροπής υψηλής-ευαισθησίας
Οι φωτοδίοδοι είναι υπεύθυνες για τη μετατροπή των φωτεινών σημάτων που μεταδίδονται μέσω των δακτύλων σε ηλεκτρικά σήματα και η απόδοσή τους επηρεάζει άμεσα την αναλογία σήματος προς-θόρυβο (SNR). Οι βασικές τεχνικές παράμετροι περιλαμβάνουν:

Εύρος μήκους κύματος απόκρισης: Χρειάζεται να καλύψει 400-1050 nm για να ανταποκρίνεται ταυτόχρονα σε κόκκινο και υπέρυθρο φως.
Ταχύτητα απόκρισης: Ο χρόνος ανόδου θα πρέπει να είναι μικρότερος από 1 μ s για να καταγράφονται μικρές αλλαγές στα παλμικά κύματα.
Σκοτεινό ρεύμα: Πρέπει να είναι χαμηλότερο από 0,1 nA για να μειωθεί η παρεμβολή φωτός στο περιβάλλον.
Τυπικές περιπτώσεις εφαρμογής:
Ένα συγκεκριμένο οξύμετρο ιατρικής ποιότητας χρησιμοποιεί φωτοδίοδο OSRAM SFH 2701. Όταν η αντίστροφη πόλωση είναι 5V, το σκοτεινό ρεύμα είναι μόνο 0,05nA και η απόκριση φτάνει τα 0,55A/W στα 940nm. Η συσκευή βελτιώνει σημαντικά την ικανότητά της απόκρισης υψηλής-συχνότητας βελτιστοποιώντας τη δομή της σύνδεσης PN και μειώνοντας τη χωρητικότητα της διασταύρωσης στα 1,7 pF.

Βασικά σημεία σχεδιασμού κυκλώματος:

Ενισχυτής σύνθετης αντίστασης trans (TIA): μετατρέπει το σήμα ασθενούς ρεύματος (συνήθως 0,1-10 μ A) μιας φωτοδιόδου σε σήμα τάσης. Για παράδειγμα, ένας συγκεκριμένος σχεδιασμός χρησιμοποιεί λειτουργικό ενισχυτή AD8065 για την κατασκευή TIA, με αντίσταση ανάδρασης 1M Ω, επιτυγχάνοντας κέρδος μετατροπής 0,1V/μ A.
Καταστολή περιβαλλοντικού φωτός: Διπλή καταστολή της παρεμβολής φωτός του περιβάλλοντος επιτυγχάνεται μέσω οπτικών φίλτρων (όπως φίλτρα ζώνης 660 nm και 940 nm) και φίλτρων κυκλώματος (όπως φίλτρα χαμηλής-διαπερατότητας RC). Πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι αυτό το σχήμα μπορεί να μειώσει τις παρεμβολές συχνότητας ισχύος 50 Hz κατά 40 dB.
Αντιστάθμιση θερμοκρασίας: Ένα θερμίστορ NTC είναι ενσωματωμένο δίπλα στη φωτοδίοδο και το κέρδος TIA ρυθμίζεται σε πραγματικό-χρόνο μέσω ενός μικροελεγκτή για να αντισταθμιστεί η μετατόπιση της θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, ένας συγκεκριμένος σχεδιασμός ελέγχει τη διακύμανση της τάσης εξόδου εντός ± 0,5% εντός της περιοχής από -20 μοίρες έως 50 μοίρες.
3, Καταστολή θορύβου: Πλήρης βελτιστοποίηση σύνδεσης από το υλικό στον αλγόριθμο
Το σήμα του οξύμετρου περιέχει πολλαπλές πηγές θορύβου, οι οποίες πρέπει να καταστέλλονται μέσω του συντονισμού υλικού και αλγορίθμου:

Φιλτράρισμα υλικού:
Προενίσχυση: Ένας λειτουργικός ενισχυτής χαμηλού θορύβου (όπως ο OPA2333, με πυκνότητα θορύβου τάσης εισόδου μόνο 3,5nV/√ Hz) χρησιμοποιείται για την κατασκευή ενός TIA και τη μείωση του θερμικού θορύβου.
Φιλτράρισμα ζώνης: Εξαγωγή σημάτων παλμικού κύματος 0,7-3 Hz μέσω ενός δευτερολέπτου-χαμηλού{3}}του φίλτρου (συχνότητα αποκοπής{{5}απενεργοποίησης 11,25 Hz) και ενός υψηλοπερατού φίλτρου πρώτης-τάξης (συχνότητα αποκοπής 0,0159 Hz).
Εγκοπή 50 Hz: χρήση διπλού δικτύου T ή ενεργού κυκλώματος φιλτραρίσματος για την καταστολή παρεμβολών συχνότητας ισχύος.
Ψηφιακό φιλτράρισμα:
Φίλτρο FIR: χρησιμοποιείται για την αφαίρεση-θορύβου υψηλής συχνότητας και τη διατήρηση των χαρακτηριστικών παλμικών κυμάτων.
Προσαρμοστικό φιλτράρισμα: δυναμική προσαρμογή των συντελεστών φίλτρου μέσω του αλγόριθμου LMS για την καταστολή των τεχνουργημάτων κίνησης. Ορισμένα πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι αυτό το σχήμα μπορεί να μειώσει το σφάλμα μέτρησης που προκαλείται από παρεμβολή κίνησης από ± 5% σε ± 1,5%.
4, Δυναμική αντιστάθμιση: προσαρμογή σε διαφορετικά φυσιολογικά σενάρια και σενάρια χρήσης
Για να βελτιωθεί η καθολικότητα της μέτρησης, το οξύμετρο πρέπει να αντισταθμίζει δυναμικά τα ακόλουθα σενάρια:

Διαφορά χρώματος δέρματος: Το σκούρο δέρμα έχει ισχυρότερη απορρόφηση φωτός και πρέπει να αντισταθμίζεται για την εξασθένηση του σήματος ρυθμίζοντας το ρεύμα οδήγησης LED (όπως αύξηση από 5mA σε 10mA) ή κέρδος TIA. Ένας συγκεκριμένος σχεδιασμός χρησιμοποιεί έναν μικροελεγκτή για την παρακολούθηση της τάσης εξόδου των φωτοδιόδων σε πραγματικό χρόνο και την αυτόματη προσαρμογή του συντελεστή απολαβής.
Κατάσταση χαμηλής αιμάτωσης: Το σοκ ή η υποθερμία οδηγεί σε μείωση του πλάτους του παλμικού κύματος και η αναλογία σήματος προς-θόρυβο πρέπει να βελτιωθεί με αύξηση του ρυθμού δειγματοληψίας (όπως από 100 Hz σε 500 Hz) και παράταση του χρόνου ολοκλήρωσης (όπως από 100ms σε 100ms). Μια κλινική μελέτη έδειξε ότι αυτή η προσέγγιση μπορεί να αυξήσει το ποσοστό επιτυχίας της μέτρησης ασθενών με χαμηλή αιμάτωση από 75% σε 92%.
Μετατόπιση ανιχνευτή: Με την παρακολούθηση αλλαγών στο πλάτος του σήματος (όπως μείωση άνω του 30%), ενεργοποιείται ένας συναγερμός για να ζητηθεί από τον χρήστη να διορθώσει ξανά τον ανιχνευτή. Ένα φορητό οξύμετρο ενσωματώνει έναν αισθητήρα επιτάχυνσης και καταστέλλει περαιτέρω την παρεμβολή μετατόπισης μέσω αλγορίθμων ανίχνευσης κίνησης.
5, Κλινική επικύρωση και τυπική συμμόρφωση
Τα οξύμετρα ιατρικής ποιότητας απαιτούν αυστηρή κλινική επικύρωση και τυπική συμμόρφωση:

Προσαρμογή κλινικών δεδομένων: Δημιουργήστε μια καμπύλη χαρτογράφησης μεταξύ της τιμής R (αναλογία σήματος ερυθρού φωτός προς υπέρυθρο φως AC/DC) και SpO 2 με βάση μια μεγάλη ποσότητα δεδομένων εθελοντών. Για παράδειγμα, η καμπύλη βαθμονόμησης ενός συγκεκριμένου μοντέλου οξυμέτρου καλύπτει το εύρος SpO 2 70% -100%, με μέγιστο σφάλμα Μικρότερο ή ίσο με 2%.
Πρότυπο IEC 60601-2-20: απαιτεί η ένταση φωτός LED να μην υπερβαίνει τα 10 mW/cm ² για την αποφυγή εγκαυμάτων δέρματος. Ταυτόχρονα, ορίζεται ότι το σφάλμα μέτρησης δεν πρέπει να υπερβαίνει το ± 3% εντός της περιοχής SpO ₂ 70% -100%.