Kan şekeri izleme ekipmanında diyotların uygulaması nedir?

1, Fotodiyotların teknik özü: optik sinyallerden elektrik sinyallerine hassas dönüşüm
Bir fotodiyotun temel işlevi, bir PN bağlantısının fotoelektrik etkisi yoluyla optik sinyalleri elektrik sinyallerine dönüştürmektir. Belirli bir dalga boyundaki ışık PN bağlantısına ışınlandığında, foton enerjisi değerlik bandı elektronlarını iletim bandına geçiş için uyarır ve elektron delik çiftleri (foto üretilen taşıyıcılar) oluşturur. Ters öngerilim etkisi altında, yük taşıyıcılarının yönsel hareketi fotoakım üretir ve bunun yoğunluğu, gelen ışık gücüyle doğrusal olarak ilişkilidir. Bu süreç üç temel parametreyi içerir:

Kuantum verimliliği: fotoelektrik dönüşüm verimliliğini doğrudan belirler. Örneğin InGaAs fotodiyotları, 1310 nm dalga boyunda %90'ın üzerinde kuantum verimliliğine ulaşarak zayıf ışık algılama yeteneklerini önemli ölçüde geliştirebilir.
Tepki süresi: Cihazın kan şekeri konsantrasyonundaki değişiklikleri yakalama hızını belirler. PIN tipi fotodiyotlar, gerçek katman kalınlığını optimize ederek taşıyıcı geçiş süresini pikosaniye düzeyine kısaltır ve gerçek-zamanlı izleme gereksinimlerini karşılar.
Karanlık akım: Düşük konsantrasyon tespitinin doğruluğunu etkiler. Beijing Minguang Technology tarafından geliştirilen Düşük Karanlık Akım 0,3 mm InGaAs PIN fotodiyodu, 0,1 nA'den daha düşük bir karanlık akıma sahiptir ve zayıf ışık sinyallerini tespit etmede iyi performans gösterir.
Örnek olarak,-invazif olmayan kan şekeri dedektörünü ele alırsak, cildi ışınlamak için 1310 nm ve 1550 nm'lik çift dalga boylu lazer diyotları kullanır ve fotodiyot dizisi, dağınık yansıma ışık sinyalini alır. Işığın farklı dalga boylarındaki emilim farklılıklarını ölçerek ve bunları kısmi en küçük kareler regresyon (PLSR) algoritmasıyla birleştirerek, su ve protein gibi müdahale eden maddelerin etkisi ortadan kaldırılabilir ve kan şekeri konsantrasyonunun doğru hesaplanması sağlanır.

2, İnvaziv olmayan kan şekeri izleme: diyotların yönlendirdiği teknolojik bir devrim
Geleneksel kan şekeri takibi, kan almak için derinin delinmesini gerektirir, bu da enfeksiyon riski oluşturur ve sürekli izlenemez. Diyot teknolojisindeki atılım,-invazif olmayan izlemeyi mümkün kılıyor ve temel ilkeleri şunları içeriyor:

Yakın kızılötesi spektroskopi absorpsiyon yöntemi: Glikoz, 750-1850nm dalga boyu aralığında karakteristik absorpsiyon tepe noktalarına sahiptir. DFB lazer diyotları aracılığıyla belirli dalga boyunda ışık yayarak, doku sıvısındaki glikozun emilim yoğunluğu fotodiyotlar tarafından tespit edilir. Örneğin, Sichuan Tengguang tarafından üretilen 1550nm DFB lazer, uzun süreli izleme güvenilirliği sağlayan, ±%0,5'ten daha iyi güç kararlılığına sahip yerleşik bir-TEC sıcaklık kontrol modülüne sahiptir.
Fotoakustik etki yöntemi: Lazer cildi ışınladığında, glikoz ışık enerjisini emerek ultrason dalgaları oluşturur. Ultrasonik sensör sinyali yakaladıktan sonra fotodiyot, ışık yoğunluğundaki değişimi elektrik sinyaline dönüştürür. Tsinghua Üniversitesi tarafından geliştirilen giyilebilir cihaz, üç dalga boyunda bir lazer diyot dizisini benimsiyor ve DSP füzyonu yoluyla üç veri setini ± 10 mg/dL algılama doğruluğu ile işliyor.
Optik rotasyon tespit yöntemi: Glikozun optik rotasyon özelliklerini kullanarak, iletilen ışığın sapma açısı ölçülerek konsantrasyon hesaplanır. Işık kaynağı olarak organik ışık-yayan diyotlar (OLED'ler), fotodiyot dizileriyle bir araya getirildiğinde, temassız algılama elde edilebilir ve dinamik kan şekeri izleme için uygundur.

3, Çok dalga boyunda füzyon tespiti: Anti-parazit yeteneğini geliştiren önemli bir teknoloji
İnsan dokusunun bileşimi karmaşıktır ve su, protein ve yağ gibi maddelerin ışık emme özellikleri glikoza benzer, bu da kolayca çapraz etkileşime neden olabilir. Çoklu dalga boyu füzyon tespiti, aşağıdaki stratejiler aracılığıyla doğruluğu artırır:

Dalga boyu seçiminin optimizasyonu: Deneyler, 750 nm, 980 nm ve 1310 nm dalga boylarının kombinasyonunun, suyun güçlü emilim bölgesinden (1450 nm) kaçınırken glikozun ana emilim zirvesini kapsayabildiğini göstermiştir. Örneğin, belirli bir kan şekeri ölçüm cihazı modeli, 750nm ve 980nm'lik çift dalga boyu tasarımını benimser ve %15'ten daha az bir tespit hatasıyla diferansiyel algoritma yoluyla arka plan girişimini ortadan kaldırır.
Dinamik ayarlama teknolojisi: Lazer diyotun akımını 15nm aralığında ayarlayacak şekilde kontrol ederek, glikoz emilim zirvelerindeki değişikliklerin gerçek-zamanlı yakalanması sağlanır. Fiziksel simülasyon sistemi, dinamik ayarlamanın algılama hassasiyetini %40 artırabildiğini göstermektedir.
Kemometrik modelleme: Kısmi en küçük kareler regresyonu (PLSR) veya destek vektör makinesi (SVM) algoritmalarını birleştirerek, ışık absorpsiyon yoğunluğu ve kan şekeri konsantrasyonunun doğrusal olmayan bir modelini oluşturun. Klinik veriler, üç dalga boyu füzyon modelinin öngörücü korelasyon katsayısının (R²) 0,92 olduğunu, tek dalga boyu modelinden (R²=0.78) önemli ölçüde daha iyi olduğunu göstermektedir.

4, Anti parazit tasarımı: klinik güvenilirliği sağlamak için sistem mühendisliği
Kan şekeri izleme ekipmanının çevresel ışık, elektromanyetik girişim ve cihaz gürültüsü gibi birçok zorlukla başa çıkması gerekir. Parazit önleyici tasarımın hem donanım hem de algoritma düzeylerinde optimize edilmesi gerekiyor

Donanım Tasarımı:
Optik filtreleme: Hedef olmayan dalga boyundaki ışığın neden olduğu paraziti bastırmak için fotodiyotun önüne dar bantlı bir filtre takın. Örneğin, 1310 nm'lik bir filtrenin bant genişliği ± 10 nm dahilinde kontrol edilebilir ve geçirgenlik %90'dan fazladır.
Elektromanyetik koruma: Metal muhafaza, fotodiyotları kapsüllemek için kullanılır ve 50Hz güç frekansı girişimini azaltır. Deneyler, koruyucu tasarımın sinyal-gürültü- oranını (SNR) 20dB kadar artırabildiğini göstermiştir.
Düşük gürültü amplifikasyonu: Giriş gürültüsü voltaj yoğunluğunu 0,5nV/√ Hz'ye düşüren bir transempedans amplifikasyon devresi oluşturmak için bir JFET giriş işlemsel amplifikatörü kullanılır. Örneğin, belirli bir kan şekeri ölçüm cihazı modelinin devresinin toplam gürültüsü 0,3 mV'den azdır ve bu, 12 bitlik AD dönüşüm gereksinimini karşılar.
Algoritma optimizasyonu:
Dalgacık gürültüsünü giderme: Yüksek-frekanslı gürültüyü filtrelemek için db4 dalgacık esasını kullanarak fotoakım sinyalini ayrıştırın. Klinik testler, dalgacık gürültüsünün giderilmesinin sinyal düzgünlüğünü %35 oranında artırabildiğini göstermiştir.
Uyarlanabilir filtreleme: Filtre katsayılarını dinamik olarak ayarlamak ve çevresel ışık dalgalanmalarını gerçek zamanlı olarak bastırmak için LMS algoritmasını kullanma. Örneğin, 1000 lüks arka plan ışığı altında uyarlanabilir filtreleme, algılama hatasını %50 oranında azaltabilir.
Sıcaklık telafisi: Fotodiyotun bağlantı sıcaklığını bir termistör aracılığıyla izleyin ve bir arama tablosu yöntemini kullanarak karanlık akım sapmasını düzeltin. Deneyler, sıcaklık telafisinin, algılama hatasını ± 8 mg/dL dahilinde 25 derece ila 40 derece aralığında stabilize edebildiğini göstermiştir.