Làm thế nào để đảm bảo đo chính xác điốt trong mạch đo oxy?

1, Đèn LED bước sóng kép: nền tảng của việc tạo tín hiệu chính xác
Máy đo oxy sử dụng đèn LED bước sóng kép với ánh sáng đỏ 660nm và ánh sáng hồng ngoại 940nm, và thiết kế của nó dựa trên sự khác biệt về đặc tính hấp thụ của huyết sắc tố (Hb) và huyết sắc tố oxy hóa (HbO ₂) đối với các bước sóng ánh sáng khác nhau. Cụ thể:

Đèn đỏ 660nm: Tỷ lệ hấp thụ HbO ₂ thấp, tỷ lệ hấp thụ Hb cao và cường độ tín hiệu tương quan nghịch với hàm lượng oxy trong động mạch;
Ánh sáng hồng ngoại 940nm: Tốc độ hấp thụ HbO₂ cao hơn đáng kể so với Hb và cường độ tín hiệu có mối tương quan thuận với hàm lượng oxy trong động mạch.
Những điểm chính của việc thực hiện kỹ thuật:

Điều khiển thời gian: Điều khiển đèn LED nhấp nháy luân phiên (thường ở tần số 100{1}}500Hz) thông qua mạch cầu H để tránh nhiễu lẫn nhau giữa hai tín hiệu ánh sáng. Ví dụ: một mẫu máy đo oxy nhất định sử dụng tín hiệuPWM của vi điều khiển MSP430 để điều khiển chip điều khiển LED, đạt được ánh sáng xen kẽ của ánh sáng đỏ và hồng ngoại trong khoảng thời gian 0,5 mili giây.
Ổ đĩa dòng không đổi: sử dụng mạch nguồn dòng không đổi để đảm bảo cường độ sáng của đèn LED ổn định và loại bỏ sự can thiệp của dao động nguồn điện đối với cường độ ánh sáng. Máy đo oxy cấp lâm sàng sử dụng điện trở chính xác (chẳng hạn như độ chính xác 0,1%) và bộ khuếch đại hoạt động để tạo thành vòng phản hồi, kiểm soát dao động dòng điện LED trong phạm vi ± 0,5%.
Hiệu chỉnh cường độ ánh sáng: Trong quá trình sản xuất, cường độ ánh sáng đầu ra của đèn LED được điều chỉnh thông qua các bộ lọc quang để phù hợp với biên độ tín hiệu của hai bước sóng và cải thiện dải động của quá trình xử lý tín hiệu tiếp theo. Ví dụ, máy đo oxy cầm tay sử dụng hệ thống hiệu chuẩn hình cầu tích hợp để kiểm soát tỷ lệ cường độ của ánh sáng đỏ và hồng ngoại ở mức 1:1,2 ± 0,05 trước khi xuất xưởng.
2, Photodiode: cốt lõi của quá trình chuyển đổi quang điện có độ nhạy-cao
Điốt quang có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu ánh sáng truyền qua ngón tay thành tín hiệu điện và hiệu suất của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ lệ tín hiệu-trên-nhiễu (SNR). Các thông số kỹ thuật chính bao gồm:

Phạm vi bước sóng đáp ứng: Nó cần bao phủ 400-1050nm để phản ứng đồng thời với cả ánh sáng đỏ và hồng ngoại;
Tốc độ phản hồi: Thời gian tăng phải nhỏ hơn 1 μs để ghi lại những thay đổi nhỏ trong sóng xung;
Dòng điện tối: Cần phải thấp hơn 0,1nA để giảm nhiễu ánh sáng môi trường.
Các trường hợp ứng dụng điển hình:
Một máy đo oxy cấp y tế nhất định sử dụng điốt quang OSRAM SFH 2701. Khi độ lệch ngược là 5V, dòng tối chỉ 0,05nA và độ phản hồi đạt 0,55A/W ở 940nm. Thiết bị cải thiện đáng kể khả năng đáp ứng tần số cao-bằng cách tối ưu hóa cấu trúc điểm nối PN và giảm điện dung của điểm nối xuống 1,7pF.

Những điểm chính của thiết kế mạch:

Bộ khuếch đại trở kháng xuyên (TIA): chuyển đổi tín hiệu dòng điện yếu (thường là 0,1-10 μ A) của photodiode thành tín hiệu điện áp. Ví dụ: một thiết kế nhất định sử dụng bộ khuếch đại hoạt động AD8065 để xây dựng TIA, với điện trở phản hồi là 1M Ω, đạt được mức tăng chuyển đổi là 0,1V/μ A.
Ngăn chặn ánh sáng môi trường: Có thể triệt tiêu kép nhiễu ánh sáng môi trường thông qua các bộ lọc quang học (chẳng hạn như bộ lọc thông dải 660nm và 940nm) và bộ lọc mạch (chẳng hạn như bộ lọc thông thấp RC). Dữ liệu thực nghiệm cho thấy sơ đồ này có thể giảm nhiễu tần số nguồn 50Hz xuống 40dB.
Bù nhiệt độ: Một nhiệt điện trở NTC được tích hợp bên cạnh điốt quang và mức tăng TIA được điều chỉnh theo-thời gian thực thông qua bộ vi điều khiển để bù cho sự chênh lệch nhiệt độ. Ví dụ: một thiết kế nhất định kiểm soát sự dao động điện áp đầu ra trong phạm vi ± 0,5% trong phạm vi từ -20 độ đến 50 độ.
3, Khử nhiễu: Tối ưu hóa toàn bộ liên kết từ phần cứng đến thuật toán
Tín hiệu của máy đo oxy chứa nhiều nguồn nhiễu cần được triệt tiêu thông qua sự phối hợp phần cứng và thuật toán:

Lọc phần cứng:
Tiền khuếch đại: Bộ khuếch đại hoạt động có độ ồn-thấp (chẳng hạn như OPA2333, với mật độ nhiễu điện áp đầu vào chỉ 3,5nV/√ Hz) được sử dụng để tạo TIA và giảm nhiễu nhiệt;
Lọc thông dải: Trích xuất tín hiệu sóng xung 0,7-3Hz thông qua bộ lọc thông thấp-thứ hai-thứ hai (tần số cắt-11,25Hz) và bộ lọc thông cao thứ nhất-thứ nhất (tần số cắt 0,0159Hz);
Notch 50Hz: sử dụng mạng T kép hoặc mạch lọc tích cực để triệt tiêu nhiễu tần số nguồn.
Lọc kỹ thuật số:
Bộ lọc FIR: dùng để loại bỏ nhiễu tần số-cao và bảo toàn các đặc tính của sóng xung;
Lọc thích ứng: điều chỉnh linh hoạt các hệ số bộ lọc thông qua thuật toán LMS để triệt tiêu các tạo tác chuyển động. Một dữ liệu thực nghiệm nhất định cho thấy sơ đồ này có thể giảm sai số đo do nhiễu chuyển động gây ra từ ± 5% xuống ± 1,5%.
4, Bù động: thích ứng với các tình huống sử dụng và sinh lý khác nhau
Để cải thiện tính phổ quát của phép đo, máy đo oxy cần bù động cho các tình huống sau:

Sự khác biệt về màu da: Da sẫm màu có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh hơn và cần được bù đắp sự suy giảm tín hiệu bằng cách điều chỉnh dòng điện điều khiển LED (chẳng hạn như tăng từ 5mA lên 10mA) hoặc mức tăng TIA. Một thiết kế nào đó sử dụng bộ vi điều khiển để theo dõi điện áp đầu ra của điốt quang trong thời gian thực và tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại.
Trạng thái tưới máu thấp: Sốc hoặc hạ thân nhiệt dẫn đến giảm biên độ sóng xung và tỷ lệ tín hiệu-trên-nhiễu cần phải được cải thiện bằng cách tăng tốc độ lấy mẫu (chẳng hạn như từ 100Hz lên 500Hz) và kéo dài thời gian tích hợp (chẳng hạn như từ 100 mili giây lên 500 mili giây). Một nghiên cứu lâm sàng cho thấy phương pháp này có thể tăng tỷ lệ đo lường thành công ở những bệnh nhân có lượng máu thấp từ 75% lên 92%.
Sự dịch chuyển đầu dò: Bằng cách theo dõi những thay đổi về biên độ tín hiệu (chẳng hạn như giảm hơn 30%), một cảnh báo sẽ được kích hoạt để nhắc người dùng sửa lại đầu dò. Máy đo oxy di động tích hợp cảm biến gia tốc và tiếp tục ngăn chặn nhiễu do dịch chuyển thông qua các thuật toán phát hiện chuyển động.
5, Xác nhận lâm sàng và tuân thủ tiêu chuẩn
Máy đo nồng độ oxy cấp y tế yêu cầu phải được xác nhận lâm sàng nghiêm ngặt và tuân thủ tiêu chuẩn:

Phù hợp với dữ liệu lâm sàng: Thiết lập đường cong ánh xạ giữa giá trị R (tỷ lệ tín hiệu AC/DC của ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại) và SpO ₂ dựa trên một lượng lớn dữ liệu tình nguyện viên. Ví dụ: đường cong hiệu chuẩn của một mẫu máy đo oxy nhất định bao gồm phạm vi SpO ₂ 70% -100%, với sai số tối đa Nhỏ hơn hoặc bằng 2%.
Tiêu chuẩn IEC 60601-2-20: yêu cầu cường độ ánh sáng LED không vượt quá 10mW/cm2 để tránh bỏng da; Đồng thời, quy định rằng sai số đo không được vượt quá ± 3% trong phạm vi SpO ₂ 70% -100%.