Kuidas tagada dioodide täpne mõõtmine oksümeetri ahelates?

1, kahe lainepikkusega LED: täpse signaali genereerimise nurgakivi
Oksümeeter kasutab kahe lainepikkusega LED-i 660 nm punase ja 940 nm infrapunavalgusega ning selle disain põhineb hemoglobiini (Hb) ja hapnikuga rikastatud hemoglobiini (HbO ₂) neeldumisomaduste erinevusel erinevate valguse lainepikkuste korral. Täpsemalt:

660 nm punane tuli: HbO ₂ neeldumiskiirus on madal, Hb neeldumiskiirus kõrge ja signaali intensiivsus on negatiivses korrelatsioonis arteriaalse hapnikusisaldusega;
940 nm infrapunavalgus: HbO ₂ neeldumiskiirus on oluliselt kõrgem kui Hb ja signaali intensiivsus on positiivses korrelatsioonis arteriaalse hapnikusisaldusega.
Tehnilise teostuse põhipunktid:

Ajastuse juhtimine: pange LED vaheldumisi vilkuma (tavaliselt sagedusega 100{1}}500 Hz) läbi H-silla ahela, et vältida kahe valgussignaali vastastikust häiret. Näiteks teatud oksümeetri mudel kasutab MSP430 mikrokontrolleri PWM-signaali LED-draiveri kiibi juhtimiseks, saavutades punase ja infrapunavalguse vahelduva valgustuse 0,5 ms intervalliga.
Püsivooluajam: konstantse vooluallika ahela kasutamine, et tagada LED-i stabiilne valgustugevus ja kõrvaldada toiteallika kõikumised valguse intensiivsusele. Kliinilise klassi oksümeetris kasutatakse täppistakistit (näiteks 0,1% täpsusega) ja töövõimendit tagasisideahela moodustamiseks, mis kontrollib LED-i voolu kõikumisi ± 0,5% piires.
Valguse intensiivsuse kalibreerimine: Tootmisprotsessis reguleeritakse LED-väljundvalguse intensiivsust läbi optiliste filtrite, et see sobiks kahe lainepikkuse signaali amplituudiga ja parandaks järgneva signaalitöötluse dünaamilist ulatust. Näiteks kaasaskantav oksümeeter kasutab integreerivat sfääri kalibreerimissüsteemi, et kontrollida punase ja infrapunavalguse intensiivsuse suhet 1:1,2 ± 0,05 enne tehasest lahkumist.
2, fotodiood: suure-tundlikkusega fotoelektrilise muundamise tuum
Fotodioodid vastutavad sõrmede kaudu edastatavate valgussignaalide elektrilisteks signaalideks muutmise eest ja nende jõudlus mõjutab otseselt signaali -/-müra suhet (SNR). Peamised tehnilised parameetrid hõlmavad järgmist:

Reaktsiooni lainepikkuse vahemik: see peab katma 400–1050 nm, et reageerida samaaegselt nii punasele kui ka infrapunavalgusele;
Reageerimiskiirus: tõusuaeg peaks olema väiksem kui 1 μs, et tabada väikseid muutusi pulsilainetes;
Tume vool: keskkonnavalguse häirete vähendamiseks peab see olema väiksem kui 0,1 nA.
Tüüpilised rakendusjuhtumid:
Teatud meditsiinilise kvaliteediga oksümeetris kasutatakse OSRAM SFH 2701 fotodioodi. Kui vastupidine eelpinge on 5 V, on tumevool ainult 0,05 nA ja tundlikkus ulatub 940 nm juures 0,55 A/W. Seade parandab oluliselt oma kõrge-sagedusreaktsiooni võimet, optimeerides PN-siirde struktuuri ja vähendades ristmiku mahtuvust 1,7 pF-ni.

Skeemi disaini põhipunktid:

Transimpedantsvõimendi (TIA): teisendab fotodioodi nõrga voolu signaali (tavaliselt 0,1-10 μA) pingesignaaliks. Näiteks teatud konstruktsioon kasutab TIA loomiseks AD8065 operatiivvõimendit, mille tagasisidetakistus on 1M Ω, saavutades teisendusvõimenduse 0,1 V/μA.
Keskkonna valguse summutamine: keskkonnavalguse häirete kahekordne summutamine saavutatakse optiliste filtrite (nt 660 nm ja 940 nm ribapääsfiltrid) ja vooluringifiltrite (nt RC madalpääsfiltrid) abil. Eksperimentaalsed andmed näitavad, et see skeem võib vähendada 50 Hz toitesageduse häireid 40 dB võrra.
Temperatuuri kompenseerimine: NTC-termistor on integreeritud fotodioodi kõrvale ja TIA võimendust reguleeritakse reaalajas{0}}mikrokontrolleri kaudu, et kompenseerida temperatuuri triivi. Näiteks kontrollib teatud konstruktsioon väljundpinge kõikumist ± 0,5% piires vahemikus -20 kraadi kuni 50 kraadi.
3, mürasummutus: täielik lingi optimeerimine riistvarast algoritmini
Oksümeetri signaal sisaldab mitut müraallikat, mida tuleb riistvara ja algoritmi koordineerimisega summutada:

Riistvara filtreerimine:
Eelvõimendus: TIA loomiseks ja termilise müra vähendamiseks kasutatakse madala-müratasemega operatsioonivõimendit (nt OPA2333, mille sisendpinge müratihedus on ainult 3,5 nV/√ Hz);
Ribalassfiltreerimine: eraldage impulsslaine signaalid sagedusega 0,7-3 Hz läbi teise-järku madalpääsfiltri (-väljalülitussagedus 11,25 Hz) ja esimese -järgu kõrgpääsfiltri (läbisagedus 0,0159 Hz);
50 Hz sälk: kahe T-võrgu või aktiivse filtreerimisahela kasutamine toitesageduslike häirete mahasurumiseks.
Digitaalne filtreerimine:
FIR-filter: kasutatakse kõrgsagedusliku-müra eemaldamiseks ja pulsilaine omaduste säilitamiseks;
Adaptiivne filtreerimine: filtrikoefitsientide dünaamiline reguleerimine LMS-algoritmi abil, et summutada liikumisartefakte. Teatud katseandmed näitavad, et see skeem võib vähendada liikumishäiretest põhjustatud mõõtmisviga ± 5%-lt ± 1,5%-le.
4, dünaamiline kompensatsioon: kohanemine erinevate füsioloogiliste ja kasutusstsenaariumitega
Mõõtmise universaalsuse parandamiseks peab oksimeeter dünaamiliselt kompenseerima järgmisi stsenaariume:

Nahavärvi erinevus: tumedal nahal on tugevam valguse neeldumine ja seda tuleb kompenseerida signaali sumbumine, reguleerides LED-i juhtimisvoolu (näiteks suurendades 5 mA-lt 10 mA-le) või TIA võimendust. Teatud konstruktsioonis kasutatakse mikrokontrollerit, et jälgida fotodioodide väljundpinget reaalajas ja reguleerida automaatselt võimenduskoefitsienti.
Madal perfusiooni olek: šokk või hüpotermia viib impulsilaine amplituudi vähenemiseni ning signaali -/-müra suhet tuleb parandada, suurendades diskreetimissagedust (nt 100 Hz-lt 500 Hz-le) ja pikendades integreerimisaega (nt 100 ms-lt 500 ms-ni). Kliiniline uuring näitas, et see lähenemisviis võib suurendada madala perfusiooniga patsientide mõõtmise edukust 75%-lt 92%-le.
Sondi nihkumine: jälgides signaali amplituudi muutusi (nt vähenemist rohkem kui 30%), käivitub häire, mis palub kasutajal sondi uuesti kinnitada. Kaasaskantav oksümeeter integreerib kiirendusanduri ja summutab liikumistuvastusalgoritmide kaudu veelgi nihkehäireid.
5, kliiniline valideerimine ja standardite järgimine
Meditsiinilise kvaliteediga oksümeetrid nõuavad ranget kliinilist valideerimist ja vastavust standarditele:

Kliiniliste andmete sobitamine: looge suure hulga vabatahtlike andmete põhjal kaardistuskõver R väärtuse (punase valguse ja infrapuna valguse vahelduvvoolu ja alalisvoolu signaali suhe) ja SpO ₂ vahel. Näiteks katab teatud oksümeetri mudeli kalibreerimiskõver vahemikku SpO ₂ 70% -100%, maksimaalse veaga Väiksem või võrdne 2%.
IEC 60601-2-20 standard: nahapõletuste vältimiseks ei tohi LED-valguse intensiivsus ületada 10 mW/cm²; Samal ajal on sätestatud, et mõõtmisviga ei tohi ületada ± 3% vahemikus SpO ₂ 70% -100%.