การใช้ไดโอดในอุปกรณ์ตรวจวัดระดับน้ำตาลในเลือดคืออะไร?

1 สาระสำคัญทางเทคนิคของโฟโตไดโอด: การแปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้าอย่างแม่นยำ
หน้าที่หลักของโฟโตไดโอดคือการแปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้าผ่านโฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์ของจุดเชื่อมต่อ PN เมื่อแสงที่มีความยาวคลื่นจำเพาะถูกฉายรังสีไปยังจุดเชื่อมต่อ PN พลังงานโฟตอนจะกระตุ้นอิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์ให้เปลี่ยนไปยังแถบการนำไฟฟ้า ทำให้เกิดคู่หลุมอิเล็กตรอน (ตัวพาที่สร้างภาพถ่าย) ภายใต้การกระทำของอคติย้อนกลับ การเคลื่อนที่ในทิศทางของตัวพาประจุจะสร้างโฟโตปัจจุบัน และความเข้มของมันจะสัมพันธ์เชิงเส้นตรงกับกำลังแสงที่ตกกระทบ กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับพารามิเตอร์หลักสามประการ:

ประสิทธิภาพควอนตัม: กำหนดประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริคโดยตรง ตัวอย่างเช่น โฟโตไดโอด InGaAs สามารถบรรลุประสิทธิภาพควอนตัมได้มากกว่า 90% ที่ความยาวคลื่น 1310 นาโนเมตร ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถในการตรวจจับแสงที่อ่อนแอได้อย่างมาก
เวลาตอบสนอง: กำหนดความเร็วที่อุปกรณ์จับการเปลี่ยนแปลงของความเข้มข้นของน้ำตาลในเลือด โฟโตไดโอดประเภท PIN ช่วยลดระยะเวลาการขนส่งของผู้ให้บริการให้เหลือเพียงระดับพิโควินาทีโดยการปรับความหนาของชั้นที่แท้จริงให้เหมาะสม ซึ่งตรงตาม-ข้อกำหนดการตรวจสอบตามเวลาจริง
กระแสมืด: ส่งผลต่อความแม่นยำของการตรวจจับความเข้มข้นต่ำ โฟโตไดโอด InGaAs PIN กระแสมืดต่ำ 0.3 มม. ที่พัฒนาโดย Beijing Minguang Technology มีกระแสมืดน้อยกว่า 0.1nA และทำงานได้ดีในการตรวจจับสัญญาณแสงอ่อน
ยกตัวอย่างเครื่องตรวจจับระดับน้ำตาลในเลือดแบบไม่-รุกล้ำ โดยจะใช้เลเซอร์ไดโอดความยาวคลื่นคู่ 1310 นาโนเมตรและ 1550 นาโนเมตรในการฉายรังสีผิวหนัง และโฟโตไดโอดจะรับสัญญาณแสงสะท้อนแบบกระจาย ด้วยการวัดความแตกต่างในการดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นต่างๆ และรวมเข้ากับอัลกอริธึมการถดถอยกำลังสองน้อยที่สุดบางส่วน (PLSR) อิทธิพลของสารที่รบกวน เช่น น้ำและโปรตีน จะถูกกำจัดออกไป ทำให้สามารถคำนวณความเข้มข้นของน้ำตาลในเลือดได้อย่างแม่นยำ

2, การตรวจสอบระดับน้ำตาลในเลือดแบบไม่รุกราน: การปฏิวัติทางเทคโนโลยีที่ขับเคลื่อนด้วยไดโอด
การตรวจวัดระดับน้ำตาลในเลือดแบบดั้งเดิมจำเป็นต้องเจาะผิวหนังเพื่อเจาะเลือด ซึ่งเสี่ยงต่อการติดเชื้อและไม่สามารถตรวจสอบได้อย่างต่อเนื่อง ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีไดโอดทำให้การตรวจสอบแบบไม่รุกราน-เป็นไปได้ และหลักการสำคัญของเทคโนโลยีนี้ได้แก่:

วิธีการดูดกลืนแสงสเปกโตรสโคปีใกล้เคียงอินฟราเรด: กลูโคสมียอดการดูดกลืนแสงที่มีลักษณะเฉพาะในช่วงความยาวคลื่น 750-1850 นาโนเมตร ด้วยการเปล่งแสงความยาวคลื่นจำเพาะผ่านเลเซอร์ไดโอด DFB โฟโตไดโอดจะตรวจจับความเข้มของการดูดซับกลูโคสในของเหลวในเนื้อเยื่อ ตัวอย่างเช่น เลเซอร์ 1550nm DFB ที่ผลิตโดย Sichuan Tengguang มีโมดูลควบคุมอุณหภูมิ TEC ในตัว- ซึ่งมีเสถียรภาพด้านพลังงานดีกว่า ± 0.5% ทำให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือในการตรวจสอบในระยะยาว
วิธีการเอฟเฟกต์โฟโตอะคูสติก: เมื่อเลเซอร์ฉายรังสีผิวหนัง กลูโคสจะดูดซับพลังงานแสงเพื่อสร้างคลื่นอัลตราซาวนด์ หลังจากที่เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกจับสัญญาณแล้ว โฟโตไดโอดจะแปลงการเปลี่ยนแปลงความเข้มของแสงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า อุปกรณ์สวมใส่ที่พัฒนาโดยมหาวิทยาลัยชิงหัวใช้อาร์เรย์ไดโอดเลเซอร์ความยาวคลื่น 3 ชุด และประมวลผลข้อมูล 3 ชุดผ่านการฟิวชั่น DSP โดยมีความแม่นยำในการตรวจจับที่ ± 10 มก./ดล.
วิธีการตรวจจับการหมุนด้วยแสง: การใช้คุณลักษณะการหมุนด้วยแสงของกลูโคส ความเข้มข้นจะถูกคำนวณโดยการวัดมุมโก่งของแสงที่ส่งผ่าน ไดโอดเปล่งแสง-อินทรีย์ (OLED) เป็นแหล่งกำเนิดแสง รวมกับอาร์เรย์โฟโตไดโอด สามารถตรวจจับแบบไม่-สัมผัสได้ และเหมาะสำหรับการตรวจสอบระดับน้ำตาลในเลือดแบบไดนามิก

3, การตรวจจับฟิวชั่นหลายความยาวคลื่น: เทคโนโลยีสำคัญในการเพิ่มความสามารถในการป้องกัน-สัญญาณรบกวน
องค์ประกอบของเนื้อเยื่อของมนุษย์มีความซับซ้อน และลักษณะการดูดกลืนแสงของสารต่างๆ เช่น น้ำ โปรตีน และไขมัน มีความคล้ายคลึงกับกลูโคส ซึ่งสามารถทำให้เกิดการรบกวนข้ามได้ง่าย การตรวจจับฟิวชั่นหลายความยาวคลื่นช่วยเพิ่มความแม่นยำด้วยกลยุทธ์ต่อไปนี้:

การเพิ่มประสิทธิภาพการเลือกความยาวคลื่น: การทดลองแสดงให้เห็นว่าการรวมกันของความยาวคลื่น 750 นาโนเมตร 980 นาโนเมตร และ 1310 นาโนเมตรสามารถครอบคลุมจุดสูงสุดของการดูดกลืนแสงหลักของกลูโคส ในขณะเดียวกันก็หลีกเลี่ยงบริเวณการดูดซึมที่แข็งแกร่งของน้ำ (1450 นาโนเมตร) ตัวอย่างเช่น เครื่องวัดระดับน้ำตาลในเลือดบางรุ่นใช้การออกแบบความยาวคลื่นคู่ที่ 750 นาโนเมตรและ 980 นาโนเมตร และกำจัดการรบกวนพื้นหลังผ่านอัลกอริธึมดิฟเฟอเรนเชียล โดยมีข้อผิดพลาดในการตรวจจับน้อยกว่า 15%
เทคโนโลยีการปรับแต่งแบบไดนามิก: ด้วยการควบคุมกระแสของเลเซอร์ไดโอดเพื่อปรับแต่งภายในช่วง 15 นาโนเมตร ทำให้สามารถบันทึกการเปลี่ยนแปลงในจุดสูงสุดของการดูดกลืนกลูโคสได้แบบเรียลไทม์- ระบบจำลองทางกายภาพแสดงให้เห็นว่าการปรับแบบไดนามิกสามารถเพิ่มความไวในการตรวจจับได้ 40%
การสร้างแบบจำลองทางเคมี: การรวมอัลกอริธึมการถดถอยกำลังสองน้อยที่สุดบางส่วน (PLSR) หรืออัลกอริธึมเวกเตอร์แมชชีนสนับสนุน (SVM) เข้าด้วยกัน เพื่อสร้างแบบจำลองแบบไม่เชิงเส้นของความเข้มการดูดกลืนแสงและความเข้มข้นของกลูโคสในเลือด ข้อมูลทางคลินิกแสดงให้เห็นว่าค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์เชิงคาดการณ์ (R ²) ของแบบจำลองฟิวชั่นความยาวคลื่นทั้งสามคือ 0.92 ซึ่งดีกว่าแบบจำลองความยาวคลื่นเดี่ยว (R ²=0.78) อย่างมีนัยสำคัญ

4 การออกแบบป้องกันการรบกวน: วิศวกรรมระบบเพื่อให้มั่นใจความน่าเชื่อถือทางคลินิก
อุปกรณ์ตรวจวัดระดับน้ำตาลในเลือดจำเป็นต้องรับมือกับความท้าทายหลายประการ เช่น แสงจากสิ่งแวดล้อม สัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า และเสียงรบกวนของอุปกรณ์ การออกแบบป้องกันการรบกวนต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมจากทั้งระดับฮาร์ดแวร์และอัลกอริธึม

การออกแบบฮาร์ดแวร์:
การกรองด้วยแสง: ติดตั้งตัวกรองย่านความถี่แคบที่ด้านหน้าโฟโตไดโอดเพื่อระงับสัญญาณรบกวนจากแสงความยาวคลื่นที่ไม่ใช่เป้าหมาย ตัวอย่างเช่น สามารถควบคุมแบนด์วิดท์ของตัวกรอง 1310 นาโนเมตรได้ภายใน ± 10 นาโนเมตร และการส่งผ่านข้อมูลจะมากกว่า 90%
การป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า: ปลอกโลหะใช้ในการห่อหุ้มโฟโตไดโอด ซึ่งลดการรบกวนความถี่พลังงาน 50Hz การทดลองแสดงให้เห็นว่าการออกแบบการป้องกันสามารถปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณ-ต่อ-เสียงรบกวน (SNR) ได้ 20dB
การขยายสัญญาณรบกวนต่ำ: เครื่องขยายสัญญาณปฏิบัติการอินพุต JFET ใช้เพื่อสร้างวงจรขยายสัญญาณอิมพีแดนซ์ ซึ่งช่วยลดความหนาแน่นของแรงดันไฟฟ้าสัญญาณรบกวนอินพุตเป็น 0.5nV/√ Hz ตัวอย่างเช่น เสียงรวมของวงจรของเครื่องวัดระดับน้ำตาลในเลือดบางรุ่นน้อยกว่า 0.3mV ซึ่งตรงตามข้อกำหนดของการแปลง AD 12 บิต
การเพิ่มประสิทธิภาพอัลกอริทึม:
การลดสัญญาณรบกวนของเวฟเล็ต: แยกสัญญาณโฟโตปัจจุบันโดยใช้เวฟเล็ต db4 เพื่อกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูง- การทดสอบทางคลินิกแสดงให้เห็นว่าการลดสัญญาณรบกวนของเวฟเล็ตสามารถปรับปรุงความราบรื่นของสัญญาณได้ 35%
การกรองแบบปรับได้: การใช้อัลกอริธึม LMS เพื่อปรับค่าสัมประสิทธิ์ตัวกรองแบบไดนามิกและลดความผันผวนของแสงสิ่งแวดล้อมแบบเรียลไทม์ ตัวอย่างเช่น ภายใต้แสงพื้นหลัง 1,000lux การกรองแบบปรับได้สามารถลดข้อผิดพลาดในการตรวจจับได้ 50%
การชดเชยอุณหภูมิ: ตรวจสอบอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อของโฟโตไดโอดผ่านเทอร์มิสเตอร์ และแก้ไขการเคลื่อนตัวของกระแสมืดโดยใช้วิธีตารางการค้นหา การทดลองแสดงให้เห็นว่าการชดเชยอุณหภูมิสามารถทำให้ข้อผิดพลาดในการตรวจจับคงที่ได้ในช่วง 25 องศาถึง 40 องศา ภายใน ± 8 มก./เดซิลิตร