จะมั่นใจได้อย่างไรว่าการวัดไดโอดในวงจร oximeter แม่นยำ?

1, LED ความยาวคลื่นคู่: รากฐานสำคัญของการสร้างสัญญาณที่แม่นยำ
เครื่องวัดออกซิเจนใช้ LED ความยาวคลื่นคู่พร้อมแสงสีแดง 660 นาโนเมตรและแสงอินฟราเรด 940 นาโนเมตร และการออกแบบนั้นขึ้นอยู่กับความแตกต่างในลักษณะการดูดซับของฮีโมโกลบิน (Hb) และฮีโมโกลบินที่มีออกซิเจน (HbO ₂) สำหรับความยาวคลื่นของแสงที่แตกต่างกัน โดยเฉพาะ:

แสงสีแดง 660 นาโนเมตร: อัตราการดูดซึม HbO ₂ ต่ำ อัตราการดูดซึม Hb สูงและความเข้มของสัญญาณมีความสัมพันธ์เชิงลบกับปริมาณออกซิเจนในหลอดเลือด
แสงอินฟราเรด 940 นาโนเมตร: อัตราการดูดซึม HbO ₂ สูงกว่า Hb อย่างมีนัยสำคัญ และความเข้มของสัญญาณมีความสัมพันธ์เชิงบวกกับปริมาณออกซิเจนในหลอดเลือด
ประเด็นสำคัญของการดำเนินการทางเทคนิค:

การควบคุมจังหวะ: ขับ LED ให้แฟลชสลับกัน (โดยปกติที่ความถี่ 100-500Hz) ผ่านวงจร H-bridge เพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนซึ่งกันและกันระหว่างสัญญาณไฟทั้งสอง ตัวอย่างเช่น เครื่องวัดออกซิเจนบางรุ่นใช้สัญญาณ PWM ของไมโครคอนโทรลเลอร์ MSP430 เพื่อควบคุมชิปไดรเวอร์ LED ทำให้เกิดไฟสลับสีแดงและแสงอินฟราเรดในช่วงเวลา 0.5 มิลลิวินาที
ไดรฟ์กระแสคงที่: ใช้วงจรแหล่งจ่ายกระแสคงที่เพื่อให้แน่ใจว่าความเข้มของการส่องสว่าง LED ที่เสถียรและกำจัดการรบกวนของความผันผวนของแหล่งจ่ายไฟต่อความเข้มของแสง Oximeter เกรดทางคลินิกใช้ตัวต้านทานที่มีความแม่นยำ (เช่น ความแม่นยำ 0.1%) และเครื่องขยายสัญญาณในการปฏิบัติงานเพื่อสร้างวงจรป้อนกลับ ซึ่งควบคุมความผันผวนของกระแสไฟ LED ภายใน ± 0.5%
การปรับเทียบความเข้มของแสง: ในกระบวนการผลิต ความเข้มของแสงเอาต์พุต LED จะถูกปรับผ่านตัวกรองแสงเพื่อให้ตรงกับแอมพลิจูดของสัญญาณของความยาวคลื่นสองช่วง และปรับปรุงช่วงไดนามิกของการประมวลผลสัญญาณที่ตามมา ตัวอย่างเช่น เครื่องวัดออกซิเจนแบบพกพาใช้ระบบสอบเทียบทรงกลมแบบบูรณาการเพื่อควบคุมอัตราส่วนความเข้มของแสงสีแดงและแสงอินฟราเรดที่ 1:1.2 ± 0.05 ก่อนออกจากโรงงาน
2, โฟโตไดโอด: แกนหลักของการแปลงโฟโตอิเล็กทริคความไวสูง-
โฟโตไดโอดมีหน้าที่ในการแปลงสัญญาณแสงที่ส่งผ่านนิ้วมือให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า และประสิทธิภาพของโฟโตไดโอดจะส่งผลโดยตรงต่อ-อัตราส่วนสัญญาณต่อ-สัญญาณรบกวน (SNR) พารามิเตอร์ทางเทคนิคที่สำคัญ ได้แก่ :

ช่วงความยาวคลื่นตอบสนอง: ต้องครอบคลุม 400-1050 นาโนเมตรเพื่อตอบสนองต่อทั้งแสงสีแดงและแสงอินฟราเรดพร้อมกัน
ความเร็วในการตอบสนอง: เวลาที่เพิ่มขึ้นควรน้อยกว่า 1 μs เพื่อจับการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในคลื่นพัลส์
กระแสมืด: ต้องต่ำกว่า 0.1nA เพื่อลดการรบกวนของแสงจากสิ่งแวดล้อม
กรณีการใช้งานทั่วไป:
Oximeter เกรดทางการแพทย์บางชนิดใช้โฟโตไดโอด OSRAM SFH 2701 เมื่อไบแอสย้อนกลับเป็น 5V กระแสมืดจะมีเพียง 0.05nA และการตอบสนองจะสูงถึง 0.55A/W ที่ 940 นาโนเมตร อุปกรณ์นี้ปรับปรุงความสามารถในการตอบสนองความถี่สูง-ได้อย่างมากโดยการปรับโครงสร้างจุดเชื่อมต่อ PN ให้เหมาะสม และลดความจุของจุดเชื่อมต่อเป็น 1.7pF

ประเด็นสำคัญของการออกแบบวงจร:

เครื่องขยายสัญญาณอิมพีแดนซ์ทรานส์ (TIA): แปลงสัญญาณกระแสอ่อน (ปกติ 0.1-10 μ A) ของโฟโตไดโอดให้เป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น การออกแบบบางอย่างใช้เครื่องขยายสัญญาณในการดำเนินงาน AD8065 เพื่อสร้าง TIA โดยมีความต้านทานป้อนกลับที่ 1M Ω ทำให้ได้อัตราขยายการแปลงที่ 0.1V/μ A
การลดแสงสิ่งแวดล้อม: การปราบปรามการรบกวนของแสงสิ่งแวดล้อมแบบคู่ทำได้โดยใช้ฟิลเตอร์ออปติคอล (เช่น ฟิลเตอร์แบนด์พาส 660 นาโนเมตรและ 940 นาโนเมตร) และฟิลเตอร์วงจร (เช่น ฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำ-ของ RC) ข้อมูลการทดลองแสดงให้เห็นว่าโครงการนี้สามารถลดการรบกวนความถี่พลังงาน 50Hz ลงได้ 40dB
การชดเชยอุณหภูมิ: เทอร์มิสเตอร์ NTC ถูกรวมเข้ากับโฟโตไดโอด และอัตราขยายของ TIA จะถูกปรับแบบเรียลไทม์-ผ่านไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อชดเชยการเคลื่อนตัวของอุณหภูมิ ตัวอย่างเช่น การออกแบบบางอย่างจะควบคุมความผันผวนของแรงดันเอาต์พุตภายใน ± 0.5% ภายในช่วง -20 องศาถึง 50 องศา
3, การปราบปรามเสียงรบกวน: การเพิ่มประสิทธิภาพลิงก์แบบเต็มจากฮาร์ดแวร์ไปจนถึงอัลกอริทึม
สัญญาณของเครื่องวัดออกซิเจนในเลือดมีแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนหลายแหล่ง ซึ่งจำเป็นต้องถูกระงับผ่านฮาร์ดแวร์และอัลกอริทึมที่ประสานกัน:

การกรองฮาร์ดแวร์:
การขยายเสียงล่วงหน้า: เครื่องขยายสัญญาณการดำเนินงานที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ- (เช่น OPA2333 ที่มีความหนาแน่นของสัญญาณรบกวนแรงดันไฟฟ้าอินพุตเพียง 3.5nV/√ Hz) ใช้เพื่อสร้าง TIA และลดสัญญาณรบกวนจากความร้อน
การกรองแบนด์พาส: แยกสัญญาณคลื่นพัลส์ที่ 0.7-3Hz ผ่านทางวินาที-ลำดับตัวกรองความถี่ต่ำ-ผ่าน (ความถี่ตัด- 11.25Hz) และตัวกรองสัญญาณความถี่สูงผ่านลำดับแรก- (ความถี่ตัดผ่าน 0.0159Hz)
รอยบาก 50Hz: ใช้เครือข่าย Dual T หรือวงจรกรองแบบแอคทีฟเพื่อลดการรบกวนความถี่พลังงาน
การกรองแบบดิจิตอล:
ตัวกรอง FIR: ใช้เพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนความถี่สูง-และรักษาคุณลักษณะของคลื่นพัลส์ไว้
การกรองแบบปรับได้: ปรับค่าสัมประสิทธิ์ตัวกรองแบบไดนามิกผ่านอัลกอริธึม LMS เพื่อระงับสิ่งรบกวนการเคลื่อนไหว ข้อมูลการทดลองบางอย่างแสดงให้เห็นว่ารูปแบบนี้สามารถลดข้อผิดพลาดในการวัดที่เกิดจากการรบกวนการเคลื่อนไหวจาก ± 5% เป็น ± 1.5%
4 การชดเชยแบบไดนามิก: ปรับให้เข้ากับสถานการณ์ทางสรีรวิทยาและการใช้งานที่แตกต่างกัน
เพื่อปรับปรุงความเป็นสากลของการวัด เครื่องวัดออกซิเจนจำเป็นต้องชดเชยสถานการณ์ต่อไปนี้แบบไดนามิก:

ความแตกต่างของสีผิว: ผิวสีเข้มมีการดูดซับแสงได้ดีกว่า และจำเป็นต้องได้รับการชดเชยการลดทอนสัญญาณโดยการปรับกระแสไฟขับ LED (เช่น เพิ่มจาก 5mA เป็น 10mA) หรืออัตราขยาย TIA การออกแบบบางอย่างใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อตรวจสอบแรงดันเอาต์พุตของโฟโตไดโอดแบบเรียลไทม์และปรับค่าสัมประสิทธิ์การรับโดยอัตโนมัติ
สถานะการกำซาบต่ำ: การช็อกหรือภาวะอุณหภูมิลดลงทำให้แอมพลิจูดของคลื่นพัลส์ลดลง และอัตราส่วนสัญญาณ-ต่อ-สัญญาณรบกวนจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงโดยการเพิ่มอัตราการสุ่มตัวอย่าง (เช่น จาก 100Hz เป็น 500Hz) และยืดเวลาการรวมระบบ (เช่น จาก 100ms เป็น 500ms) การศึกษาทางคลินิกแสดงให้เห็นว่าวิธีนี้สามารถเพิ่มอัตราความสำเร็จในการตรวจวัดของผู้ป่วยที่มีเลือดกำเดาไหลต่ำจาก 75% เป็น 92%
การเคลื่อนตัวของโพรบ: โดยการตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูดของสัญญาณ (เช่น ลดลงมากกว่า 30%) สัญญาณเตือนจะถูกกระตุ้นเพื่อแจ้งให้ผู้ใช้แก้ไขโพรบอีกครั้ง เครื่องวัดออกซิเจนแบบพกพารวมเซ็นเซอร์เร่งความเร็วและลดการรบกวนการเคลื่อนที่ผ่านอัลกอริธึมการตรวจจับการเคลื่อนไหว
5 การตรวจสอบทางคลินิกและการปฏิบัติตามมาตรฐาน
Oximeters เกรดทางการแพทย์ต้องมีการตรวจสอบทางคลินิกอย่างเข้มงวดและการปฏิบัติตามมาตรฐาน:

การปรับข้อมูลทางคลินิกให้เหมาะสม: สร้างเส้นโค้งการจับคู่ระหว่างค่า R (อัตราส่วนสัญญาณ AC/DC ของแสงสีแดงต่อแสงอินฟราเรด) และ SpO ₂ โดยอิงตามข้อมูลอาสาสมัครจำนวนมาก ตัวอย่างเช่น เส้นโค้งการสอบเทียบของเครื่องวัดออกซิเจนบางรุ่นครอบคลุมช่วง SpO ₂ 70% -100% โดยมีข้อผิดพลาดสูงสุดน้อยกว่าหรือเท่ากับ 2%
มาตรฐาน IEC 60601-2-20: ต้องใช้ความเข้มของแสง LED ไม่เกิน 10mW/cm ² เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ผิวหนังไหม้ ในเวลาเดียวกัน มีการกำหนดว่าข้อผิดพลาดในการวัดจะต้องไม่เกิน ± 3% ภายในช่วง SpO ₂ 70% -100%