Hogyan biztosítható a diódák pontos mérése az oximéter áramkörökben?

1, Kettős hullámhosszú LED: a precíz jelgenerálás sarokköve
Az oximéter kettős hullámhosszú LED-et használ 660 nm-es vörös fénnyel és 940 nm-es infravörös fénnyel, és a kialakítása a hemoglobin (Hb) és az oxigénezett hemoglobin (HbO ₂) abszorpciós jellemzőinek különbségén alapul a különböző hullámhosszú fényekhez. Pontosabban:

660 nm-es vörös fény: a HbO ₂ abszorpciós sebessége alacsony, a Hb abszorpciós sebessége magas, és a jel intenzitása negatívan korrelál az artériás oxigéntartalommal;
940 nm-es infravörös fény: A HbO ₂ abszorpciós sebessége lényegesen magasabb, mint a Hb, és a jel intenzitása pozitívan korrelál az artériás oxigéntartalommal.
A műszaki megvalósítás főbb pontjai:

Időzítés szabályozása: Hajtsa a LED-et úgy, hogy felváltva villogjon (általában 100{1}}500 Hz frekvenciával) egy H-híd áramkörön keresztül, hogy elkerülje a két fényjel közötti kölcsönös interferenciát. Például az oximéter egy bizonyos modellje az MSP430 mikrokontroller PWM jelét használja a LED-meghajtó chip vezérlésére, 0,5 ms-os időközönként váltakozó vörös és infravörös megvilágítást biztosítva.
Állandó áramú hajtás: állandó áramforrás-áramkör használata a LED stabil fényerejének biztosítására és a tápfeszültség-ingadozások fényintenzitással kapcsolatos interferenciájának kiküszöbölésére. A klinikai minőségű oximéter precíziós ellenállást (például 0,1%-os pontossággal) és műveleti erősítőt használ a visszacsatolási hurok létrehozására, amely ± 0,5%-on belül szabályozza a LED-áram ingadozását.
Fényintenzitás kalibrálása: A gyártási folyamat során a LED kimenő fényintenzitást optikai szűrőkön keresztül állítják be, hogy megfeleljenek két hullámhossz jelamplitúdójának, és javítsák a későbbi jelfeldolgozás dinamikus tartományát. Például egy hordozható oximéter egy integráló gömbkalibrációs rendszert használ a vörös és infravörös fény intenzitásarányának 1:1,2 ± 0,05 arányú szabályozására, mielőtt elhagyná a gyárat.
2, fotodióda: a nagy-érzékenységű fotoelektromos átalakítás magja
A fotodiódák felelősek az ujjakon átvitt fényjelek elektromos jelekké alakításáért, és teljesítményük közvetlenül befolyásolja a jel{0}}/-zaj arányát (SNR). A legfontosabb műszaki paraméterek a következők:

Válasz hullámhossz-tartomány: 400-1050 nm-t kell lefednie, hogy egyszerre reagáljon a vörös és az infravörös fényre;
Válaszsebesség: Az emelkedési időnek 1 μs-nál rövidebbnek kell lennie, hogy az impulzushullámok kis változásait rögzítse;
Sötétáram: 0,1 nA-nél kisebbnek kell lennie a környezeti fény interferencia csökkentése érdekében.
Tipikus alkalmazási esetek:
Egy bizonyos orvosi minőségű oximéter OSRAM SFH 2701 fotodiódát használ. Amikor a fordított előfeszítés 5 V, a sötétáram csak 0,05 nA, és a válaszadó 940 nm-en eléri a 0,55 A/W-ot. Az eszköz jelentősen javítja a nagy-frekvenciás válaszképességét a PN átmenet szerkezetének optimalizálásával és a csatlakozási kapacitás 1,7 pF-re csökkentésével.

Az áramkör tervezésének főbb pontjai:

Transzimpedancia-erősítő (TIA): a fotodióda gyenge áramjelét (általában 0,1-10 μA) feszültségjellé alakítja. Például egy bizonyos kialakítás AD8065 műveleti erősítőt használ a TIA létrehozásához, 1M Ω visszacsatolási ellenállással, 0,1 V/μ A konverziós nyereséget érve el.
Környezeti fény elnyomása: A környezeti fény interferencia kettős elnyomása optikai szűrőkkel (például 660 nm-es és 940 nm-es sávszűrők) és áramköri szűrőkkel (például RC aluláteresztő szűrőkkel) érhető el. A kísérleti adatok azt mutatják, hogy ez a séma 40 dB-lel csökkentheti az 50 Hz-es teljesítményfrekvenciás interferenciát.
Hőmérséklet-kompenzáció: Egy NTC termisztor van beépítve a fotodióda mellé, és a TIA-erősítést valós időben,{0}}egy mikrokontroller állítja be a hőmérséklet-eltolódás kompenzálására. Például egy bizonyos kialakítás a kimeneti feszültség ingadozását ± 0,5%-on belül szabályozza a -20 fok és 50 fok közötti tartományban.
3, Zajcsökkentés: Teljes kapcsolat optimalizálás hardvertől algoritmusig
Az oximéter jele több zajforrást tartalmaz, amelyeket hardveres és algoritmus-koordinációval kell elnyomni:

Hardveres szűrés:
Előerősítés: Alacsony{0}}zajú műveleti erősítőt (például OPA2333-at, mindössze 3,5 nV/√ Hz bemeneti feszültség zajsűrűséggel) használnak a TIA létrehozására és a termikus zaj csökkentésére;
Sáváteresztő szűrés: A 0,7-3 Hz-es impulzushullámok kivonása egy második-rendű aluláteresztő szűrőn (-11,25 Hz vágási frekvencia) és egy első-rendű felüláteresztő szűrőn (vágási frekvencia 0,0159 Hz);
50 Hz-es bevágás: kettős T hálózat vagy aktív szűrőáramkör használata a tápfrekvenciás interferencia elnyomására.
Digitális szűrés:
FIR szűrő: a nagy{0}}frekvenciás zaj eltávolítására és a pulzushullám jellemzőinek megőrzésére szolgál;
Adaptív szűrés: a szűrőegyütthatók dinamikus beállítása LMS algoritmuson keresztül a mozgási műtermékek elnyomására. Egyes kísérleti adatok azt mutatják, hogy ezzel a sémával a mozgási interferencia okozta mérési hiba ± 5%-ról ± 1,5%-ra csökkenthető.
4, Dinamikus kompenzáció: alkalmazkodik a különböző fiziológiai és használati forgatókönyvekhez
A mérés egyetemességének javítása érdekében az oximéternek dinamikusan kompenzálnia kell a következő forgatókönyveket:

Bőrszín különbség: A sötét bőrnek erősebb a fényelnyelése, és a jelgyengülést kompenzálni kell a LED hajtóáramának beállításával (például 5 mA-ről 10 mA-re növelve) vagy a TIA erősítéssel. Egy bizonyos kialakítás egy mikrokontrollert használ a fotodiódák kimeneti feszültségének valós időben történő figyelésére és az erősítési együttható automatikus beállítására.
Alacsony perfúziós állapot: A sokk vagy hipotermia az impulzushullám amplitúdójának csökkenéséhez vezet, és a jel{0}}zaj arányát javítani kell a mintavételezési frekvencia növelésével (például 100 Hz-ről 500 Hz-re) és az integrációs idő meghosszabbításával (például 100 ms-ról 500 ms-ra). Egy klinikai vizsgálat kimutatta, hogy ez a megközelítés 75%-ról 92%-ra növelheti az alacsony perfúziós betegek mérési sikerességét.
A szonda elmozdulása: A jelamplitúdó változásainak (például 30%-nál nagyobb csökkenésnek) figyelésével riasztás indul, amely felszólítja a felhasználót a szonda újbóli rögzítésére. A hordozható oximéter egy gyorsulásérzékelőt tartalmaz, és mozgásérzékelő algoritmusok révén tovább csökkenti az elmozdulási zavarokat.
5, Klinikai validálás és szabványmegfelelés
Az orvosi minőségű oximéterek szigorú klinikai validációt és szabvány megfelelőséget igényelnek:

Klinikai adatok illesztése: Készítsen leképezési görbét az R érték (vörös fény és infravörös fény AC/DC jel aránya) és az SpO ₂ között nagy mennyiségű önkéntes adat alapján. Például egy oximéter egy bizonyos modelljének kalibrációs görbéje lefedi az SpO ₂ 70% -100% tartományt, a maximális hiba pedig legfeljebb 2%.
IEC 60601-2-20 szabvány: megköveteli, hogy a LED-fény intenzitása ne haladja meg a 10 mW/cm²-t a bőrégés elkerülése érdekében; Ugyanakkor előírják, hogy a mérési hiba nem haladhatja meg a ± 3%-ot az SpO ₂ 70% -100% tartományon belül.