Како осигурати тачно мерење диода у круговима оксиметра?

1, ЛЕД са двоструком таласном дужином: камен темељац прецизног генерисања сигнала
Оксиметар користи ЛЕД са двоструком таласном дужином са црвеним светлом од 660 нм и инфрацрвеним светлом од 940 нм, а његов дизајн је заснован на разлици у карактеристикама апсорпције хемоглобина (Хб) и хемоглобина са кисеоником (ХбО ₂) за различите таласне дужине светлости. Конкретно:

660нм црвено светло: брзина апсорпције ХбО ₂ је ниска, стопа апсорпције Хб је висока, а интензитет сигнала је у негативној корелацији са садржајем кисеоника у артерији;
940нм инфрацрвено светло: брзина апсорпције ХбО ₂ је значајно већа од Хб, а интензитет сигнала је у позитивној корелацији са садржајем кисеоника у артерији.
Кључне тачке техничке имплементације:

Контрола времена: Покрените ЛЕД да трепери наизменично (обично на фреквенцији од 100-500Хз) кроз коло Х-моста да бисте избегли међусобне сметње између два светлосна сигнала. На пример, одређени модел оксиметра користи ПВМ сигнал микроконтролера МСП430 да контролише ЛЕД драјвер чип, постижући наизменично осветљење црвене и инфрацрвене светлости у интервалима од 0,5 мс.
Погон са константном струјом: коришћење кола извора константне струје да би се обезбедио стабилан интензитет светлости ЛЕД-а и елиминисале сметње флуктуација напајања на интензитет светлости. Оксиметар клиничког квалитета користи прецизан отпорник (као што је тачност од 0,1%) и операциони појачавач да формира повратну петљу, контролишући флуктуације ЛЕД струје унутар ± 0,5%.
Калибрација интензитета светлости: У производном процесу, ЛЕД излазни интензитет светлости се подешава преко оптичких филтера како би се ускладио са амплитудама сигнала две таласне дужине и побољшао динамички опсег накнадне обраде сигнала. На пример, преносиви оксиметар користи интегрисани систем калибрације сфере да контролише однос интензитета црвене и инфрацрвене светлости на 1:1,2 ± 0,05 пре него што изађе из фабрике.
2, фотодиода: језгро фотоелектричне конверзије високе{1}}осетљивости
Фотодиоде су одговорне за претварање светлосних сигнала који се преносе прстима у електричне сигнале, а њихов учинак директно утиче на однос сигнал-/{1}}шум (СНР). Кључни технички параметри укључују:

Опсег таласних дужина одговора: потребно је да покрије 400-1050 нм да би истовремено реаговао на црвену и инфрацрвену светлост;
Брзина одзива: Време пораста треба да буде мање од 1 μс да би се ухватиле мале промене у пулсним таласима;
Тамна струја: треба да буде нижа од 0,1нА да би се смањиле сметње светлости у околини.
Типични случајеви примене:
Одређени медицински оксиметар користи фотодиоду ОСРАМ СФХ 2701. Када је обрнуто пристрасност 5В, тамна струја је само 0,05нА, а одзив достиже 0,55А/В на 940нм. Уређај значајно побољшава своју способност високог -фреквентног одзива оптимизацијом структуре ПН споја и смањењем капацитета споја на 1,7 пФ.

Кључне тачке дизајна кола:

Трансимпедансни појачавач (ТИА): претвара слаб струјни сигнал (обично 0,1-10 μ А) фотодиоде у сигнал напона. На пример, одређени дизајн користи АД8065 операциони појачавач за конструисање ТИА, са отпором повратне спреге од 1М Ω, постижући конверзијски добитак од 0,1В/μ А.
Пригушивање светлости из околине: Двоструко сузбијање сметњи светлости околине се постиже помоћу оптичких филтера (као што су пропусни филтери од 660 нм и 940 нм) и филтера кола (као што су РЦ нископропусни-филтери). Експериментални подаци показују да ова шема може смањити сметње фреквенције снаге 50Хз за 40дБ.
Температурна компензација: НТЦ термистор је интегрисан поред фотодиоде, а ТИА појачање се прилагођава у реалном-времену преко микроконтролера да би се компензовао температурни помак. На пример, одређени дизајн контролише флуктуацију излазног напона унутар ±0,5% у опсегу од -20 степени до 50 степени.
3, Сузбијање буке: Потпуна оптимизација везе од хардвера до алгоритма
Сигнал оксиметра садржи више извора буке, које треба потиснути кроз хардверску и алгоритамску координацију:

Хардверско филтрирање:
Претпојачавање: Ниско{0}}операционо појачало (као што је ОПА2333, са густином шума улазног напона од само 3,5нВ/√ Хз) се користи за конструисање ТИА и смањење термичке буке;
Филтрирање опсега: издвајање сигнала пулсног таласа од 0,7-3Хз кроз филтер ниског пролаза другог-реда-(фреквенција-искључивања 11,25Хз) и филтер високог пропуштања првог-реда (гранична фреквенција 0,0159Хз);
Зарез од 50 Хз: коришћење двоструке Т мреже или активног филтерског кола за сузбијање сметњи фреквенције напајања.
Дигитално филтрирање:
ФИР филтер: користи се за уклањање високо{0}}шума и очување карактеристика пулсног таласа;
Прилагодљиво филтрирање: динамички прилагођавање коефицијената филтера кроз ЛМС алгоритам за сузбијање артефаката покрета. Одређени експериментални подаци показују да ова шема може смањити грешку мерења узроковану сметњама кретања са ± 5% на ± 1,5%.
4, Динамичка компензација: прилагођавање различитим физиолошким сценаријима и сценаријима употребе
Да би се побољшала универзалност мерења, оксиметар треба да динамички компензује следеће сценарије:

Разлика у боји коже: Тамна кожа има јачу апсорпцију светлости и треба је компензовати слабљење сигнала подешавањем струје покретања ЛЕД диода (као што је повећање са 5мА на 10мА) или ТИА појачања. Одређени дизајн користи микроконтролер за праћење излазног напона фотодиода у реалном времену и аутоматско подешавање коефицијента појачања.
Стање ниске перфузије: Шок или хипотермија доводе до смањења амплитуде пулсног таласа, а однос сигнала{0}}и-треба да се побољша повећањем брзине узорковања (као што је од 100 Хз до 500 Хз) и продужењем времена интеграције (као што је са 100 мс на 5 мс). Клиничка студија је показала да овај приступ може повећати стопу успешности мерења код пацијената са ниском перфузијом са 75% на 92%.
Померање сонде: Праћењем промена амплитуде сигнала (као што је смањење за више од 30%), активира се аларм који подстиче корисника да поново поправи сонду. Преносни оксиметар интегрише сензор убрзања и додатно потискује сметње померања путем алгоритама за детекцију покрета.
5, Клиничка валидација и усклађеност са стандардима
Медицински оксиметри захтевају строгу клиничку валидацију и усклађеност са стандардима:

Уклапање клиничких података: Успоставите криву мапирања између Р вредности (однос АЦ/ДЦ сигнала црвеног светла и инфрацрвеног светла) и СпО ₂ на основу велике количине података добровољаца. На пример, калибрациона крива одређеног модела оксиметра покрива опсег СпО ₂ 70% -100%, са максималном грешком мањом или једнаком 2%.
ИЕЦ 60601-2-20 стандард: захтева да интензитет ЛЕД светла не прелази 10мВ/цм² како би се избегле опекотине коже; Истовремено, прописано је да грешка мерења не прелази ± 3% у опсегу СпО ₂ 70% -100%.