Apakah aplikasi diod dalam peralatan pemantauan glukosa darah?

1, Intipati teknikal fotodiod: penukaran tepat daripada isyarat optik kepada isyarat elektrik
Fungsi teras fotodiod adalah untuk menukar isyarat optik kepada isyarat elektrik melalui kesan fotoelektrik persimpangan PN. Apabila cahaya dengan panjang gelombang tertentu disinari ke persimpangan PN, tenaga foton merangsang elektron jalur valens untuk beralih ke jalur pengaliran, membentuk pasangan lubang elektron (pembawa yang dijana foto). Di bawah tindakan pincang songsang, pergerakan arah pembawa cas menghasilkan arus foto, dan keamatannya adalah berkaitan secara linear dengan kuasa cahaya kejadian. Proses ini melibatkan tiga parameter utama:

Kecekapan kuantum: secara langsung menentukan kecekapan penukaran fotoelektrik. Sebagai contoh, fotodiod InGaAs boleh mencapai kecekapan kuantum melebihi 90% pada panjang gelombang 1310nm, dengan ketara meningkatkan keupayaan pengesanan cahaya yang lemah.
Masa tindak balas: menentukan kelajuan peranti menangkap perubahan dalam kepekatan glukosa darah. Fotodiod jenis PIN memendekkan masa transit pembawa ke tahap picosecond dengan mengoptimumkan ketebalan lapisan intrinsik, memenuhi keperluan-pemantauan masa sebenar.
Arus gelap: menjejaskan ketepatan pengesanan kepekatan rendah. Fotodiod PIN InGaAs Arus Gelap Rendah 0.3mm yang dibangunkan oleh Teknologi Beijing Minguang mempunyai arus gelap kurang daripada 0.1nA dan berfungsi dengan baik dalam mengesan isyarat cahaya yang lemah.
Mengambil pengesan glukosa darah bukan{0}}invasif sebagai contoh, ia menggunakan diod laser dwi panjang gelombang 1310nm dan 1550nm untuk menyinari kulit dan tatasusunan fotodiod menerima isyarat cahaya pantulan meresap. Dengan mengukur perbezaan penyerapan cahaya pada panjang gelombang yang berbeza dan menggabungkannya dengan algoritma regresi kuasa dua terkecil separa (PLSR), pengaruh bahan yang mengganggu seperti air dan protein boleh dihapuskan, mencapai pengiraan tepat kepekatan glukosa darah.

2, Pemantauan glukosa darah bukan invasif: revolusi teknologi yang didorong oleh diod
Pemantauan glukosa darah tradisional memerlukan penebuk kulit untuk pengumpulan darah, yang menimbulkan risiko jangkitan dan tidak boleh dipantau secara berterusan. Kejayaan teknologi diod menjadikan pemantauan tidak{1}}invasif mungkin, dan prinsip terasnya termasuk:

Kaedah penyerapan spektroskopi inframerah dekat: Glukosa mempunyai puncak penyerapan ciri dalam julat panjang gelombang 750-1850nm. Dengan memancarkan cahaya panjang gelombang tertentu melalui diod laser DFB, keamatan penyerapan glukosa dalam cecair tisu dikesan oleh fotodiod. Contohnya, laser DFB 1550nm yang dihasilkan oleh Sichuan Tengguang mempunyai-modul kawalan suhu TEC terbina dalam, dengan kestabilan kuasa lebih baik daripada ± 0.5%, memastikan kebolehpercayaan pemantauan jangka panjang.
Kaedah kesan fotoakustik: Apabila laser menyinari kulit, glukosa menyerap tenaga cahaya untuk menjana gelombang ultrasound. Selepas sensor ultrasonik menangkap isyarat, fotodiod menukarkan perubahan keamatan cahaya kepada isyarat elektrik. Peranti boleh pakai yang dibangunkan oleh Universiti Tsinghua menggunakan tatasusunan diod laser tiga panjang gelombang dan memproses tiga set data melalui gabungan DSP, dengan ketepatan pengesanan ± 10mg/dL.
Kaedah pengesanan putaran optik: Menggunakan ciri putaran optik glukosa, kepekatan dikira dengan mengukur sudut pesongan cahaya yang dihantar. Diod pemancar cahaya-organik (OLED) sebagai sumber cahaya, digabungkan dengan tatasusunan fotodiod, boleh mencapai pengesanan tanpa-sentuhan dan sesuai untuk pemantauan glukosa darah dinamik.

3, Pengesanan gabungan berbilang panjang gelombang: teknologi utama untuk meningkatkan keupayaan anti-gangguan
Komposisi tisu manusia adalah kompleks, dan ciri-ciri penyerapan cahaya bahan seperti air, protein, dan lemak adalah serupa dengan glukosa, yang boleh menyebabkan gangguan silang dengan mudah. Pengesanan gabungan pelbagai panjang gelombang meningkatkan ketepatan melalui strategi berikut:

Pengoptimuman pemilihan panjang gelombang: Eksperimen telah menunjukkan bahawa gabungan panjang gelombang 750nm, 980nm, dan 1310nm boleh meliputi puncak penyerapan utama glukosa sambil mengelakkan kawasan penyerapan air yang kuat (1450nm). Sebagai contoh, model tertentu meter glukosa darah menggunakan reka bentuk dwi panjang gelombang 750nm dan 980nm, dan menghapuskan gangguan latar belakang melalui algoritma pembezaan, dengan ralat pengesanan kurang daripada 15%.
Teknologi penalaan dinamik: Dengan mengawal arus diod laser untuk menala dalam julat 15nm,-masa sebenar tangkapan perubahan dalam puncak penyerapan glukosa dicapai. Sistem simulasi fizikal menunjukkan bahawa penalaan dinamik boleh meningkatkan sensitiviti pengesanan sebanyak 40%.
Pemodelan kemometrik: Menggabungkan algoritma regresi kuasa dua terkecil separa (PLSR) atau mesin vektor sokongan (SVM), mewujudkan model tak linear keamatan penyerapan cahaya dan kepekatan glukosa darah. Data klinikal menunjukkan bahawa pekali korelasi ramalan (R ²) bagi tiga model gabungan panjang gelombang ialah 0.92, jauh lebih baik daripada model panjang gelombang tunggal (R ²=0.78).

4, Reka bentuk anti gangguan: kejuruteraan sistem untuk memastikan kebolehpercayaan klinikal
Peralatan pemantauan glukosa darah perlu menghadapi pelbagai cabaran seperti cahaya persekitaran, gangguan elektromagnet dan bunyi peranti. Reka bentuk anti gangguan perlu dioptimumkan dari kedua-dua peringkat perkakasan dan algoritma

Reka Bentuk Perkakasan:
Penapisan optik: Pasang penapis jalur sempit di hadapan fotodiod untuk menyekat gangguan daripada cahaya panjang gelombang bukan sasaran. Sebagai contoh, lebar jalur penapis 1310nm boleh dikawal dalam ± 10nm, dan penghantaran lebih besar daripada 90%.
Perisai elektromagnet: Selongsong logam digunakan untuk membungkus fotodiod, mengurangkan gangguan frekuensi kuasa 50Hz. Percubaan telah menunjukkan bahawa reka bentuk perisai boleh meningkatkan isyarat-ke-nisbah hingar (SNR) sebanyak 20dB.
Penguatan hingar rendah: Penguat operasi input JFET digunakan untuk membina litar penguatan transimpedans, mengurangkan ketumpatan voltan hingar input kepada 0.5nV/√ Hz. Sebagai contoh, jumlah hingar litar model tertentu meter glukosa darah adalah kurang daripada 0.3mV, yang memenuhi keperluan penukaran AD 12 bit.
Pengoptimuman algoritma:
Penyahnosan gelombang: Uraikan isyarat arus foto menggunakan asas wavelet db4 untuk menapis bunyi-berfrekuensi tinggi. Ujian klinikal telah menunjukkan bahawa denoising wavelet boleh meningkatkan kelancaran isyarat sebanyak 35%.
Penapisan suai: Menggunakan algoritma LMS untuk melaraskan pekali penapis secara dinamik dan menyekat turun naik cahaya persekitaran dalam masa nyata. Sebagai contoh, di bawah lampu latar 1000lux, penapisan penyesuaian boleh mengurangkan ralat pengesanan sebanyak 50%.
Pampasan suhu: Pantau suhu simpang fotodiod melalui termistor dan betulkan hanyutan arus gelap menggunakan kaedah jadual carian. Eksperimen telah menunjukkan bahawa pampasan suhu boleh menstabilkan ralat pengesanan dalam julat 25 darjah hingga 40 darjah dalam ± 8mg/dL.