Ποια είναι η εφαρμογή των διόδων σε εξοπλισμό παρακολούθησης γλυκόζης αίματος;

1, Η τεχνική ουσία των φωτοδιόδων: ακριβής μετατροπή από οπτικά σήματα σε ηλεκτρικά σήματα
Η βασική λειτουργία μιας φωτοδιόδου είναι να μετατρέπει τα οπτικά σήματα σε ηλεκτρικά σήματα μέσω του φωτοηλεκτρικού φαινομένου μιας διασταύρωσης PN. Όταν φως συγκεκριμένου μήκους κύματος ακτινοβολείται στη διασταύρωση PN, η ενέργεια των φωτονίων διεγείρει τα ηλεκτρόνια της ζώνης σθένους για να μεταβούν στη ζώνη αγωγιμότητας, σχηματίζοντας ζεύγη οπών ηλεκτρονίων (φορείς που δημιουργούνται από φωτογραφία). Κάτω από τη δράση της αντίστροφης πόλωσης, η κατευθυντική κίνηση των φορέων φορτίου δημιουργεί φωτορεύμα και η έντασή του σχετίζεται γραμμικά με την ισχύ του προσπίπτοντος φωτός. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει τρεις βασικές παραμέτρους:

Κβαντική απόδοση: καθορίζει άμεσα την απόδοση φωτοηλεκτρικής μετατροπής. Για παράδειγμα, οι φωτοδίοδοι InGaAs μπορούν να επιτύχουν κβαντική απόδοση άνω του 90% σε μήκος κύματος 1310 nm, βελτιώνοντας σημαντικά τις δυνατότητες ανίχνευσης ασθενούς φωτός.
Χρόνος απόκρισης: καθορίζει την ταχύτητα με την οποία η συσκευή καταγράφει αλλαγές στη συγκέντρωση γλυκόζης στο αίμα. Οι φωτοδίοδοι τύπου PIN μειώνουν το χρόνο μετάβασης του φορέα στο επίπεδο του picosecond βελτιστοποιώντας το εγγενές πάχος του στρώματος, καλύπτοντας τις απαιτήσεις παρακολούθησης πραγματικού χρόνου-.
Σκοτεινό ρεύμα: επηρεάζει την ακρίβεια ανίχνευσης χαμηλής συγκέντρωσης. Η φωτοδίοδος PIN χαμηλού σκοτεινού ρεύματος 0,3 mm InGaAs που αναπτύχθηκε από την Beijing Minguang Technology έχει σκοτεινό ρεύμα μικρότερο από 0,1 nA και έχει καλή απόδοση στην ανίχνευση σημάτων ασθενούς φωτός.
Λαμβάνοντας ως παράδειγμα τον μη επεμβατικό ανιχνευτή γλυκόζης αίματος, χρησιμοποιεί διόδους λέιζερ διπλού μήκους κύματος των 1310 nm και 1550 nm για την ακτινοβόληση του δέρματος και η συστοιχία φωτοδιόδων λαμβάνει το φωτεινό σήμα διάχυτης ανάκλασης. Μετρώντας τις διαφορές απορρόφησης φωτός σε διαφορετικά μήκη κύματος και συνδυάζοντάς τες με τον αλγόριθμο παλινδρόμησης μερικών ελαχίστων τετραγώνων (PLSR), μπορεί να εξαλειφθεί η επίδραση παρεμβαλλόμενων ουσιών όπως το νερό και η πρωτεΐνη, επιτυγχάνοντας ακριβή υπολογισμό της συγκέντρωσης γλυκόζης στο αίμα.

2, Μη επεμβατική παρακολούθηση της γλυκόζης του αίματος: μια τεχνολογική επανάσταση που οδηγείται από διόδους
Η παραδοσιακή παρακολούθηση της γλυκόζης του αίματος απαιτεί παρακέντηση του δέρματος για συλλογή αίματος, η οποία ενέχει κίνδυνο μόλυνσης και δεν μπορεί να παρακολουθείται συνεχώς. Η ανακάλυψη της τεχνολογίας διόδων καθιστά δυνατή τη μη επεμβατική παρακολούθηση και οι βασικές αρχές της περιλαμβάνουν:

Μέθοδος απορρόφησης φασματοσκοπίας κοντά στο υπέρυθρο: Η γλυκόζη έχει χαρακτηριστικές κορυφές απορρόφησης στην περιοχή μήκους κύματος 750-1850 nm. Με την εκπομπή φωτός συγκεκριμένου μήκους κύματος μέσω των διόδων λέιζερ DFB, η ένταση απορρόφησης της γλυκόζης στο υγρό των ιστών ανιχνεύεται από τις φωτοδίοδοι. Για παράδειγμα, το λέιζερ DFB 1550 nm που παράγεται από την Sichuan Tengguang διαθέτει ενσωματωμένη-μονάδα ελέγχου θερμοκρασίας TEC, με σταθερότητα ισχύος καλύτερη από ± 0,5%, εξασφαλίζοντας μακροπρόθεσμη αξιοπιστία παρακολούθησης.
Μέθοδος φωτοακουστικού αποτελέσματος: Όταν το λέιζερ ακτινοβολεί το δέρμα, η γλυκόζη απορροφά φωτεινή ενέργεια για να δημιουργήσει υπερηχητικά κύματα. Αφού ο αισθητήρας υπερήχων συλλάβει το σήμα, η φωτοδίοδος μετατρέπει την αλλαγή στην ένταση του φωτός σε ηλεκτρικό σήμα. Η φορητή συσκευή που αναπτύχθηκε από το Πανεπιστήμιο Tsinghua υιοθετεί μια συστοιχία διόδων λέιζερ τριών μηκών κύματος και επεξεργάζεται τρία σετ δεδομένων μέσω σύντηξης DSP, με ακρίβεια ανίχνευσης ± 10mg/dL.
Μέθοδος ανίχνευσης οπτικής περιστροφής: Χρησιμοποιώντας τα χαρακτηριστικά οπτικής περιστροφής της γλυκόζης, η συγκέντρωση υπολογίζεται με μέτρηση της γωνίας εκτροπής του μεταδιδόμενου φωτός. Οι οργανικές δίοδοι εκπομπής φωτός-(OLED) ως πηγές φωτός, σε συνδυασμό με συστοιχίες φωτοδιόδων, μπορούν να επιτύχουν ανίχνευση χωρίς-επαφή και είναι κατάλληλες για δυναμική παρακολούθηση της γλυκόζης του αίματος.

3, Ανίχνευση σύντηξης πολλαπλών μηκών κύματος: μια βασική τεχνολογία για τη βελτίωση της ικανότητας κατά-παρεμβολών
Η σύνθεση του ανθρώπινου ιστού είναι πολύπλοκη και τα χαρακτηριστικά απορρόφησης φωτός ουσιών όπως το νερό, η πρωτεΐνη και το λίπος είναι παρόμοια με τη γλυκόζη, η οποία μπορεί εύκολα να προκαλέσει διασταυρούμενη παρεμβολή. Η ανίχνευση σύντηξης πολλαπλών μηκών κύματος βελτιώνει την ακρίβεια μέσω των ακόλουθων στρατηγικών:

Βελτιστοποίηση επιλογής μήκους κύματος: Πειράματα έδειξαν ότι ο συνδυασμός μηκών κύματος 750 nm, 980 nm και 1310 nm μπορεί να καλύψει την κύρια κορυφή απορρόφησης της γλυκόζης αποφεύγοντας την περιοχή ισχυρής απορρόφησης του νερού (1450 nm). Για παράδειγμα, ένα συγκεκριμένο μοντέλο μετρητή γλυκόζης αίματος υιοθετεί σχεδιασμό διπλού μήκους κύματος 750 nm και 980 nm και εξαλείφει την παρεμβολή φόντου μέσω διαφορικού αλγορίθμου, με σφάλμα ανίχνευσης μικρότερο από 15%.
Τεχνολογία δυναμικού συντονισμού: Με τον έλεγχο του ρεύματος της διόδου λέιζερ για συντονισμό εντός εύρους 15 nm, επιτυγχάνεται-αποτύπωση σε πραγματικό χρόνο των αλλαγών στις κορυφές απορρόφησης γλυκόζης. Το σύστημα φυσικής προσομοίωσης δείχνει ότι ο δυναμικός συντονισμός μπορεί να αυξήσει την ευαισθησία ανίχνευσης κατά 40%.
Χημειομετρική μοντελοποίηση: Συνδυάζοντας αλγόριθμους παλινδρόμησης μερικών ελαχίστων τετραγώνων (PLSR) ή μηχανής υποστήριξης διανυσμάτων (SVM), καθιερώστε ένα μη γραμμικό μοντέλο έντασης απορρόφησης φωτός και συγκέντρωσης γλυκόζης στο αίμα. Τα κλινικά δεδομένα δείχνουν ότι ο προγνωστικός συντελεστής συσχέτισης (R 2) του μοντέλου σύντηξης τριών μηκών κύματος είναι 0,92, σημαντικά καλύτερος από αυτόν του μοντέλου ενός μήκους κύματος (R ²=0.78).

4, Σχεδιασμός κατά των παρεμβολών: μηχανική συστήματος για την εξασφάλιση κλινικής αξιοπιστίας
Ο εξοπλισμός παρακολούθησης γλυκόζης αίματος πρέπει να αντιμετωπίζει πολλαπλές προκλήσεις όπως το φως του περιβάλλοντος, οι ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και ο θόρυβος της συσκευής. Ο σχεδιασμός κατά των παρεμβολών πρέπει να βελτιστοποιηθεί τόσο σε επίπεδο υλικού όσο και σε επίπεδο αλγορίθμου

Σχεδιασμός υλικού:
Οπτικό φιλτράρισμα: Εγκαταστήστε ένα φίλτρο στενής ζώνης μπροστά από τη φωτοδίοδο για να καταστείλετε τις παρεμβολές από το φως μη στόχου μήκους κύματος. Για παράδειγμα, το εύρος ζώνης ενός φίλτρου 1310 nm μπορεί να ελεγχθεί εντός ± 10 nm και η μετάδοση είναι μεγαλύτερη από 90%.
Ηλεκτρομαγνητική θωράκιση: Το μεταλλικό περίβλημα χρησιμοποιείται για την ενθυλάκωση φωτοδιόδων, μειώνοντας τις παρεμβολές συχνότητας ισχύος 50 Hz. Πειράματα έδειξαν ότι η σχεδίαση θωράκισης μπορεί να βελτιώσει την αναλογία σήματος προς-θόρυβο (SNR) κατά 20 dB.
Ενίσχυση χαμηλού θορύβου: Ένας λειτουργικός ενισχυτής εισόδου JFET χρησιμοποιείται για την κατασκευή ενός κυκλώματος ενίσχυσης με αντίσταση, μειώνοντας την πυκνότητα τάσης θορύβου εισόδου στα 0,5nV/√ Hz. Για παράδειγμα, ο συνολικός θόρυβος του κυκλώματος ενός συγκεκριμένου μοντέλου μετρητή γλυκόζης αίματος είναι μικρότερος από 0,3 mV, που πληροί την απαίτηση μετατροπής AD 12 bit.
Βελτιστοποίηση αλγορίθμου:
Denoising wavelet: Αποσυνθέστε το σήμα φωτορεύματος χρησιμοποιώντας τη βάση του wavelet db4 για να φιλτράρετε το θόρυβο υψηλής-συχνότητας. Κλινικές δοκιμές έδειξαν ότι η αποθορυβοποίηση κυματιδίων μπορεί να βελτιώσει την ομαλότητα του σήματος κατά 35%.
Προσαρμοστικό φιλτράρισμα: Χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο LMS για τη δυναμική προσαρμογή των συντελεστών φίλτρου και την καταστολή των διακυμάνσεων του φωτός του περιβάλλοντος σε πραγματικό χρόνο. Για παράδειγμα, κάτω από φως φόντου 1000 lux, το προσαρμοστικό φιλτράρισμα μπορεί να μειώσει το σφάλμα ανίχνευσης κατά 50%.
Αντιστάθμιση θερμοκρασίας: Παρακολουθήστε τη θερμοκρασία σύνδεσης της φωτοδιόδου μέσω ενός θερμίστορ και διορθώστε τη μετατόπιση του σκοτεινού ρεύματος χρησιμοποιώντας μια μέθοδο πίνακα αναζήτησης. Πειράματα έδειξαν ότι η αντιστάθμιση θερμοκρασίας μπορεί να σταθεροποιήσει το σφάλμα ανίχνευσης εντός της περιοχής από 25 μοίρες έως 40 μοίρες εντός ± 8 mg/dL.