Quina és l'aplicació dels díodes als equips de control de glucosa en sang?

1, L'essència tècnica dels fotodíodes: conversió precisa de senyals òptics a senyals elèctrics
La funció principal d'un fotodíode és convertir senyals òptics en senyals elèctrics mitjançant l'efecte fotoelèctric d'una unió PN. Quan la llum d'una longitud d'ona específica s'irradia a la unió PN, l'energia fotònica excita els electrons de la banda de valència per passar a la banda de conducció, formant parells de forats d'electrons (portadors generats fotogràfics). Sota l'acció de la polarització inversa, el moviment direccional dels portadors de càrrega genera fotocorrent i la seva intensitat està relacionada linealment amb la potència de la llum incident. Aquest procés implica tres paràmetres clau:

Eficiència quàntica: determina directament l'eficiència de conversió fotoelèctrica. Per exemple, els fotodíodes InGaAs poden aconseguir una eficiència quàntica de més del 90% a una longitud d'ona de 1310 nm, millorant significativament les capacitats de detecció de llum febles.
Temps de resposta: determina la velocitat a la qual el dispositiu captura els canvis en la concentració de glucosa en sang. Els fotodíodes de tipus PIN escurcen el temps de trànsit de la portadora fins al nivell de picosegons optimitzant el gruix intrínsec de la capa i complint els requisits de-vigilància en temps real.
Corrent fosc: afecta la precisió de la detecció de concentracions baixes. El fotodíode PIN InGaAs de 0,3 mm de corrent fosc baix desenvolupat per Beijing Minguang Technology té un corrent fosc inferior a 0,1 nA i funciona bé en la detecció de senyals de llum febles.
Prenent com a exemple el detector de glucosa en sang no-invasiu, utilitza díodes làser de doble longitud d'ona de 1310 nm i 1550 nm per irradiar la pell, i la matriu de fotodíodes rep el senyal de llum de reflexió difusa. Mitjançant la mesura de les diferències d'absorció de la llum a diferents longituds d'ona i combinant-les amb l'algorisme de regressió de mínims quadrats parcials (PLSR), es pot eliminar la influència de substàncies interferents com l'aigua i les proteïnes, aconseguint un càlcul precís de la concentració de glucosa en sang.

2, Monitorització no invasiva de la glucosa en sang: una revolució tecnològica impulsada per díodes
El control tradicional de la glucosa en sang requereix punxar la pell per a la recollida de sang, cosa que suposa un risc d'infecció i no es pot controlar contínuament. L'avenç de la tecnologia de díodes fa possible la supervisió no-invasiva, i els seus principis bàsics inclouen:

Mètode d'absorció per espectroscòpia infraroja propera: la glucosa té pics d'absorció característics en el rang de longitud d'ona de 750-1850 nm. Mitjançant l'emissió de llum de longitud d'ona específica a través dels díodes làser DFB, la intensitat d'absorció de glucosa en el líquid del teixit es detecta mitjançant fotodíodes. Per exemple, el làser DFB de 1550 nm produït per Sichuan Tengguang té un mòdul de control de temperatura TEC integrat-, amb una estabilitat de potència millor que ± 0,5%, que garanteix la fiabilitat del monitoratge a llarg termini.
Mètode d'efecte fotoacústic: quan el làser irradia la pell, la glucosa absorbeix l'energia de la llum per generar ones d'ultrasò. Després que el sensor ultrasònic capti el senyal, el fotodíode converteix el canvi d'intensitat de la llum en un senyal elèctric. El dispositiu portàtil desenvolupat per la Universitat de Tsinghua adopta una matriu de díodes làser de tres longituds d'ona i processa tres conjunts de dades mitjançant la fusió DSP, amb una precisió de detecció de ± 10 mg/dL.
Mètode de detecció de rotació òptica: utilitzant les característiques de rotació òptica de la glucosa, la concentració es calcula mesurant l'angle de deflexió de la llum transmesa. Els díodes emissors de llum-orgànics (OLED) com a fonts de llum, combinats amb matrius de fotodíodes, poden aconseguir una detecció sense-contacte i són adequats per al control dinàmic de la glucosa en sang.

3, Detecció de fusió de diverses longituds d'ona: una tecnologia clau per millorar la capacitat anti-interferències
La composició del teixit humà és complexa i les característiques d'absorció de la llum de substàncies com l'aigua, proteïnes i greixos són similars a la glucosa, que pot causar fàcilment interferències creuades. La detecció de fusió de diverses longituds d'ona millora la precisió mitjançant les estratègies següents:

Optimització de la selecció de longituds d'ona: els experiments han demostrat que la combinació de longituds d'ona de 750 nm, 980 nm i 1310 nm pot cobrir el pic principal d'absorció de glucosa alhora que evita la forta regió d'absorció de l'aigua (1450 nm). Per exemple, un determinat model de mesurador de glucosa en sang adopta un disseny de longitud d'ona dual de 750 nm i 980 nm i elimina la interferència de fons mitjançant un algorisme diferencial, amb un error de detecció inferior al 15%.
Tecnologia d'ajust dinàmic: controlant el corrent del díode làser per ajustar-se en un rang de 15 nm, s'aconsegueix la captura en temps real-de canvis en els pics d'absorció de glucosa. El sistema de simulació física mostra que la sintonització dinàmica pot augmentar la sensibilitat de detecció en un 40%.
Modelització quimiomètrica: combinant algorismes de regressió de mínims quadrats parcials (PLSR) o de suport vector machine (SVM), s'estableix un model no lineal d'intensitat d'absorció de llum i concentració de glucosa en sang. Les dades clíniques mostren que el coeficient de correlació predictiva (R²) del model de fusió de tres longituds d'ona és de 0,92, significativament millor que el del model de longitud d'ona única (R²=0.78).

4, Disseny anti-interferència: enginyeria del sistema per garantir la fiabilitat clínica
Els equips de control de la glucosa en sang han de fer front a múltiples reptes, com ara la llum ambiental, les interferències electromagnètiques i el soroll del dispositiu. El disseny anti-interferència s'ha d'optimitzar tant a nivell de maquinari com d'algoritme

Disseny de maquinari:
Filtret òptic: instal·leu un filtre de banda estreta davant del fotodíode per suprimir la interferència de la llum de longitud d'ona no objectiu. Per exemple, l'amplada de banda d'un filtre de 1310 nm es pot controlar dins de ± 10 nm i la transmitància és superior al 90%.
Blindatge electromagnètic: la carcassa metàl·lica s'utilitza per encapsular fotodíodes, reduint la interferència de freqüència de potència de 50 Hz. Els experiments han demostrat que el disseny del blindatge pot millorar la relació senyal-a-soroll (SNR) en 20 dB.
Amplificació de baix soroll: s'utilitza un amplificador operacional d'entrada JFET per construir un circuit d'amplificació de transimpedància, reduint la densitat de tensió del soroll d'entrada a 0,5 nV/√ Hz. Per exemple, el soroll total del circuit d'un determinat model de mesurador de glucosa en sang és inferior a 0,3 mV, que compleix el requisit de conversió AD de 12 bits.
Optimització de l'algoritme:
Reducció de soroll d'onades: descompondre el senyal de fotocorrent utilitzant la base d'onades db4 per filtrar el soroll d'alta-freqüència. Les proves clíniques han demostrat que el denoising wavelet pot millorar la suavitat del senyal en un 35%.
Filtratge adaptatiu: utilitzant l'algoritme LMS per ajustar dinàmicament els coeficients del filtre i suprimir les fluctuacions de la llum ambiental en temps real. Per exemple, amb una llum de fons de 1000 lux, el filtratge adaptatiu pot reduir l'error de detecció en un 50%.
Compensació de temperatura: controleu la temperatura de la unió del fotodíode a través d'un termistor i corregiu la deriva del corrent fosc mitjançant un mètode de taula de cerca. Els experiments han demostrat que la compensació de temperatura pot estabilitzar l'error de detecció dins del rang de 25 graus a 40 graus dins de ± 8 mg/dL.