Hvad er anvendelsen af ​​dioder i udstyr til overvågning af blodsukker?

1, Den tekniske essens af fotodioder: præcis konvertering fra optiske signaler til elektriske signaler
En fotodiodes kernefunktion er at konvertere optiske signaler til elektriske signaler gennem den fotoelektriske effekt af en PN-forbindelse. Når lys med en specifik bølgelængde bestråles på PN-forbindelsen, exciterer fotonenergi valensbåndelektroner til overgang til ledningsbåndet og danner elektronhulpar (fotogenererede bærere). Under påvirkning af omvendt bias genererer den retningsbestemte bevægelse af ladningsbærere fotostrøm, og dens intensitet er lineært relateret til den indfaldende lyseffekt. Denne proces involverer tre nøgleparametre:

Kvanteeffektivitet: bestemmer direkte den fotoelektriske konverteringseffektivitet. For eksempel kan InGaAs-fotodioder opnå en kvanteeffektivitet på over 90% ved en bølgelængde på 1310nm, hvilket væsentligt forbedrer svag lysdetektionskapacitet.
Responstid: bestemmer den hastighed, hvormed enheden registrerer ændringer i blodsukkerkoncentrationen. PIN-type fotodioder forkorter transportørens transittid til picosekund-niveauet ved at optimere den iboende lagtykkelse og opfylder realtidsovervågningskravene-.
Mørk strøm: påvirker nøjagtigheden af ​​detektering af lav koncentration. Low Dark Current 0,3 mm InGaAs PIN-fotodioden udviklet af Beijing Minguang Technology har en mørkestrøm på mindre end 0,1nA og klarer sig godt til at detektere svage lyssignaler.
Tager den ikke-invasive blodsukkerdetektor som eksempel, bruger den dobbeltbølgelængde laserdioder på 1310nm og 1550nm til at bestråle huden, og fotodiodearrayet modtager det diffuse reflektionslyssignal. Ved at måle absorptionsforskellene af lys ved forskellige bølgelængder og kombinere dem med partiel mindste kvadraters regression (PLSR) algoritme, kan påvirkningen af ​​forstyrrende stoffer som vand og protein elimineres, hvilket opnår nøjagtig beregning af blodsukkerkoncentrationen.

2, Ikke-invasiv blodsukkerovervågning: en teknologisk revolution drevet af dioder
Traditionel måling af blodsukker kræver punktering af huden til blodopsamling, hvilket udgør en risiko for infektion og ikke kan overvåges kontinuerligt. Diodeteknologiens gennembrud gør ikke-invasiv overvågning mulig, og dens kerneprincipper omfatter:

Nær-infrarød spektroskopi-absorptionsmetode: Glucose har karakteristiske absorptionstoppe i bølgelængdeområdet 750-1850nm. Ved at udsende lys med specifik bølgelængde gennem DFB-laserdioder detekteres absorptionsintensiteten af ​​glucose i vævsvæske af fotodioder. For eksempel har 1550nm DFB-laseren produceret af Sichuan Tengguang et indbygget-TEC-temperaturkontrolmodul med strømstabilitet bedre end ± 0,5 %, hvilket sikrer langsigtet overvågningspålidelighed.
Fotoakustisk effektmetode: Når laser bestråler huden, absorberer glukose lysenergi for at generere ultralydsbølger. Efter at ultralydssensoren fanger signalet, konverterer fotodioden ændringen i lysintensitet til et elektrisk signal. Den bærbare enhed udviklet af Tsinghua University anvender et laserdiodearray med tre bølgelængder og behandler tre sæt data gennem DSP-fusion med en detektionsnøjagtighed på ± 10mg/dL.
Optisk rotationsdetektionsmetode: Ved at bruge glucosens optiske rotationsegenskaber beregnes koncentrationen ved at måle afbøjningsvinklen for transmitteret lys. Organiske-lysemitterende dioder (OLED'er) som lyskilder, kombineret med fotodiodearrays, kan opnå ikke-kontaktdetektion og er velegnede til dynamisk blodsukkerovervågning.

3, Multi-bølgelængde fusionsdetektion: en nøgleteknologi til at forbedre anti-interferensevnen
Sammensætningen af ​​menneskeligt væv er kompleks, og lysabsorptionsegenskaberne for stoffer som vand, protein og fedt ligner glucose, som let kan forårsage krydsinterferens. Multi-bølgelængde fusionsdetektion forbedrer nøjagtigheden gennem følgende strategier:

Optimering af bølgelængdevalg: Eksperimenter har vist, at kombinationen af ​​750 nm, 980 nm og 1310 nm bølgelængder kan dække den vigtigste absorptionstoppe af glukose, samtidig med at man undgår det stærke absorptionsområde for vand (1450 nm). For eksempel anvender en bestemt model af blodsukkermåler et design med dobbelt bølgelængde på 750 nm og 980 nm og eliminerer baggrundsinterferens gennem differentiel algoritme med en detektionsfejl på mindre end 15 %.
Dynamisk tuning-teknologi: Ved at styre laserdiodens strøm til at tune inden for et område på 15nm, opnås realtidsregistrering af ændringer i glukoseabsorptionsspidser. Det fysiske simuleringssystem viser, at dynamisk tuning kan øge detektionsfølsomheden med 40 %.
Kemometrisk modellering: Ved at kombinere partiel mindste kvadraters regression (PLSR) eller støttevektormaskine (SVM) algoritmer etableres en ikke-lineær model af lysabsorptionsintensitet og blodsukkerkoncentration. Kliniske data viser, at den prædiktive korrelationskoefficient (R ²) for fusionsmodellen med tre bølgelængder er 0,92, signifikant bedre end den for enkeltbølgelængdemodellen (R ²=0.78).

4, Anti-interferensdesign: systemudvikling for at sikre klinisk pålidelighed
Udstyr til overvågning af blodsukker skal klare flere udfordringer, såsom lys fra omgivelserne, elektromagnetisk interferens og enhedsstøj. Anti-interferensdesign skal optimeres fra både hardware- og algoritmeniveau

Hardware design:
Optisk filtrering: Installer et smalbåndsfilter foran fotodioden for at undertrykke interferens fra ikke-målbølgelængdelys. For eksempel kan båndbredden af ​​et 1310nm filter styres inden for ± 10nm, og transmittansen er større end 90%.
Elektromagnetisk afskærmning: Metalhus bruges til at indkapsle fotodioder, hvilket reducerer 50Hz strømfrekvensinterferens. Eksperimenter har vist, at afskærmningsdesign kan forbedre signal-til-støjforholdet (SNR) med 20dB.
Støjsvag forstærkning: En JFET input operationsforstærker bruges til at konstruere et transimpedansforstærkningskredsløb, der reducerer inputstøjspændingsdensiteten til 0,5nV/√ Hz. For eksempel er den samlede støj fra kredsløbet for en bestemt model af blodsukkermåler mindre end 0,3 mV, hvilket opfylder kravet om 12 bit AD-konvertering.
Algoritme optimering:
Wavelet-nedbrydning: Nedbryd fotostrømsignalet ved hjælp af db4 wavelet-basis for at filtrere højfrekvent støj fra-. Kliniske test har vist, at wavelet denoising kan forbedre signalets glathed med 35 %.
Adaptiv filtrering: Brug af LMS-algoritme til dynamisk at justere filterkoefficienter og undertrykke lyssvingninger i omgivelserne i realtid. For eksempel, under et baggrundslys på 1000lux, kan adaptiv filtrering reducere registreringsfejl med 50 %.
Temperaturkompensation: Overvåg fotodiodens overgangstemperatur gennem en termistor og korriger den mørke strømdrift ved hjælp af en opslagstabelmetode. Eksperimenter har vist, at temperaturkompensation kan stabilisere detektionsfejlen inden for området 25 grader til 40 grader inden for ± 8 mg/dL.