Com garantir la mesura precisa dels díodes als circuits d'oxímetre?

1, LED de doble longitud d'ona: la pedra angular de la generació de senyal precisa
L'oxímetre adopta un LED de doble longitud d'ona amb llum vermella de 660 nm i llum infraroja de 940 nm, i el seu disseny es basa en la diferència de característiques d'absorció de l'hemoglobina (Hb) i l'hemoglobina oxigenada (HbO ₂) per a diferents longituds d'ona de llum. Concretament:

Llum vermella de 660 nm: la taxa d'absorció de HbO ₂ és baixa, la taxa d'absorció de Hb és alta i la intensitat del senyal està correlacionada negativament amb el contingut d'oxigen arterial;
Llum infraroja de 940 nm: la taxa d'absorció de HbO ₂ és significativament més alta que la de Hb i la intensitat del senyal es correlaciona positivament amb el contingut d'oxigen arterial.
Punts clau de la implementació tècnica:

Control de temporització: condueix el LED a parpellejar alternativament (normalment a una freqüència de 100-500 Hz) a través d'un circuit de pont H per evitar interferències mútues entre els dos senyals de llum. Per exemple, un determinat model d'oxímetre utilitza el senyal PWM del microcontrolador MSP430 per controlar el xip del controlador LED, aconseguint una il·luminació alterna de llum vermella i infraroja a intervals de 0,5 ms.
Unitat de corrent constant: utilitzant un circuit de font de corrent constant per garantir una intensitat lluminosa LED estable i eliminar la interferència de les fluctuacions de la font d'alimentació en la intensitat de la llum. Un oxímetre de grau clínic utilitza una resistència de precisió (com ara un 0,1% de precisió) i un amplificador operacional per formar un bucle de retroalimentació, controlant les fluctuacions del corrent LED dins de ± 0,5%.
Calibració de la intensitat de la llum: en el procés de producció, la intensitat de la llum de sortida del LED s'ajusta mitjançant filtres òptics per adaptar-se a les amplituds del senyal de dues longituds d'ona i millorar el rang dinàmic del processament del senyal posterior. Per exemple, un oxímetre portàtil utilitza un sistema de calibratge d'esfera integrador per controlar la relació d'intensitat de la llum vermella i infraroja a 1:1,2 ± 0,05 abans de sortir de la fàbrica.
2, Fotodiode: el nucli de la conversió fotoelèctrica d'alta-sensibilitat
Els fotodíodes s'encarreguen de convertir els senyals de llum transmesos a través dels dits en senyals elèctrics i el seu rendiment afecta directament la relació senyal-a-soroll (SNR). Els paràmetres tècnics clau inclouen:

Interval de longitud d'ona de resposta: ha de cobrir 400-1050 nm per respondre a la llum vermella i infraroja simultàniament;
Velocitat de resposta: el temps de pujada ha de ser inferior a 1 μ s per capturar petits canvis en les ones de pols;
Corrent fosc: ha de ser inferior a 0,1 nA per reduir la interferència de la llum ambiental.
Casos d'aplicació típics:
Un oxímetre de cert grau mèdic utilitza el fotodíode OSRAM SFH 2701. Quan la polarització inversa és de 5 V, el corrent fosc només és de 0,05 nA i la resposta arriba a 0,55 A/W a 940 nm. El dispositiu millora significativament la seva capacitat de resposta d'alta -freqüència optimitzant l'estructura de la unió PN i reduint la capacitat de la unió a 1,7 pF.

Punts clau del disseny del circuit:

Amplificador d'impedància trans (TIA): converteix el senyal de corrent feble (normalment 0,1-10 μ A) d'un fotodíode en un senyal de tensió. Per exemple, un determinat disseny utilitza un amplificador operacional AD8065 per construir TIA, amb una resistència de retroalimentació d'1 M Ω, aconseguint un guany de conversió de 0,1 V/μ A.
Supressió de la llum ambiental: la supressió dual de la interferència de la llum ambiental s'aconsegueix mitjançant filtres òptics (com ara filtres de pas de banda de 660 nm i 940 nm) i filtres de circuit (com ara filtres de pas-baix RC). Les dades experimentals mostren que aquest esquema pot reduir la interferència de freqüència de potència de 50 Hz en 40 dB.
Compensació de temperatura: un termistor NTC s'integra al costat del fotodíode i el guany TIA s'ajusta en-temps real mitjançant un microcontrolador per compensar la deriva de temperatura. Per exemple, un determinat disseny controla la fluctuació de la tensió de sortida dins del ± 0,5% dins del rang de -20 graus a 50 graus.
3, Supressió de soroll: optimització completa de l'enllaç des del maquinari fins a l'algorisme
El senyal de l'oxímetre conté múltiples fonts de soroll, que s'han de suprimir mitjançant la coordinació de maquinari i algorisme:

Filtrat de maquinari:
Preamplificació: s'utilitza un amplificador operacional de baix-soroll (com ara OPA2333, amb una densitat de soroll de voltatge d'entrada de només 3,5 nV/√ Hz) per construir un TIA i reduir el soroll tèrmic;
Filtret de pas de banda: extreu senyals d'ona de pols de 0,7-3Hz a través d'un filtre de pas baix-de segon ordre- (freqüència de tall-apagada 11,25 Hz) i un filtre de pas alt-de primer ordre (freqüència de tall de 0,0159 Hz);
Osca de 50 Hz: utilitzant una xarxa T dual o un circuit de filtratge actiu per suprimir la interferència de la freqüència d'alimentació.
Filtret digital:
Filtre FIR: s'utilitza per eliminar-sorolls d'alta freqüència i preservar les característiques d'ona de pols;
Filtratge adaptatiu: ajust dinàmic dels coeficients del filtre mitjançant l'algoritme LMS per suprimir els artefactes de moviment. Algunes dades experimentals mostren que aquest esquema pot reduir l'error de mesura causat per la interferència de moviment de ± 5% a ± 1,5%.
4, Compensació dinàmica: adaptar-se a diferents escenaris fisiològics i d'ús
Per millorar la universalitat de la mesura, l'oxímetre ha de compensar dinàmicament els escenaris següents:

Diferència del color de la pell: la pell fosca té una absorció de llum més forta i s'ha de compensar per l'atenuació del senyal ajustant el corrent de conducció del LED (com ara augmentar de 5 mA a 10 mA) o el guany TIA. Un disseny determinat utilitza un microcontrolador per controlar la tensió de sortida dels fotodíodes en temps real i ajustar automàticament el coeficient de guany.
Estat de perfusió baixa: el xoc o la hipotèrmia provoquen una disminució de l'amplitud de l'ona de pols i la relació senyal{0}}a-soroll s'ha de millorar augmentant la freqüència de mostreig (com ara de 100 Hz a 500 Hz) i allargant el temps d'integració (com ara de 100 ms a 500 ms). Un estudi clínic va demostrar que aquest enfocament pot augmentar la taxa d'èxit de mesura dels pacients amb baixa perfusió del 75% al ​​92%.
Desplaçament de la sonda: mitjançant el seguiment dels canvis en l'amplitud del senyal (com ara una disminució de més del 30%), s'activa una alarma per demanar a l'usuari que torni a arreglar la sonda. Un oxímetre portàtil integra un sensor d'acceleració i suprimeix encara més la interferència de desplaçament mitjançant algorismes de detecció de moviment.
5, Validació clínica i compliment estàndard
Els oxímetres de grau mèdic requereixen una validació clínica estricta i un compliment estàndard:

Ajust de dades clíniques: establiu una corba de mapeig entre el valor R (la relació de senyal de llum vermella a llum infraroja AC/DC) i SpO ₂ basant-se en una gran quantitat de dades voluntàries. Per exemple, la corba de calibratge d'un determinat model d'oxímetre cobreix el rang de SpO ₂ 70% -100%, amb un error màxim de Menor o igual al 2%.
Estàndard IEC 60601-2-20: requereix que la intensitat de la llum LED no superi els 10 mW/cm² per evitar cremades a la pell; Al mateix temps, s'estipula que l'error de mesura no ha de superar el ± 3% dins del rang de SpO ₂ 70% -100%.