Kā nodrošināt precīzu diožu mērījumu oksimetra ķēdēs?

1, divu viļņu garuma LED: precīzas signāla ģenerēšanas stūrakmens
Oksimetrā ir divu viļņu garuma gaismas diode ar 660 nm sarkano gaismu un 940 nm infrasarkano gaismu, un tā konstrukcija ir balstīta uz hemoglobīna (Hb) un skābekļa hemoglobīna (HbO ₂) absorbcijas īpašību atšķirībām dažādiem gaismas viļņa garumiem. Konkrēti:

660 nm sarkanā gaisma: HbO ₂ absorbcijas ātrums ir zems, Hb absorbcijas ātrums ir augsts, un signāla intensitāte ir negatīvi korelēta ar arteriālā skābekļa saturu;
940 nm infrasarkanā gaisma: HbO ₂ absorbcijas ātrums ir ievērojami lielāks nekā Hb, un signāla intensitāte ir pozitīvi korelē ar arteriālā skābekļa saturu.
Tehniskās ieviešanas galvenie punkti:

Laika kontrole: virziet LED indikatoru, lai tas pārmaiņus mirgo (parasti ar frekvenci 100{1}}500 Hz) caur H tilta ķēdi, lai izvairītos no abu gaismas signālu savstarpējas iejaukšanās. Piemēram, noteikts oksimetra modelis izmanto MSP430 mikrokontrollera PWM signālu, lai vadītu LED draivera mikroshēmu, panākot pārmaiņus sarkanās un infrasarkanās gaismas apgaismojumu ar 0,5 ms intervālu.
Pastāvīgas strāvas piedziņa: pastāvīgas strāvas avota ķēdes izmantošana, lai nodrošinātu stabilu LED gaismas intensitāti un novērstu strāvas padeves svārstību traucējumus gaismas intensitātē. Klīniskās kvalitātes oksimetrs izmanto precizitātes rezistoru (piemēram, 0,1% precizitāti) un darbības pastiprinātāju, lai izveidotu atgriezeniskās saites cilpu, kontrolējot LED strāvas svārstības ± 0,5% robežās.
Gaismas intensitātes kalibrēšana: ražošanas procesā LED izejas gaismas intensitāte tiek regulēta, izmantojot optiskos filtrus, lai atbilstu divu viļņu garumu signāla amplitūdām un uzlabotu turpmākās signāla apstrādes dinamisko diapazonu. Piemēram, pārnēsājamais oksimetrs izmanto integrējošu sfēras kalibrēšanas sistēmu, lai kontrolētu sarkanās un infrasarkanās gaismas intensitātes attiecību 1:1,2 ± 0,05 pirms izņemšanas no rūpnīcas.
2, fotodiode: augstas-jutības fotoelektriskās pārveidošanas kodols
Fotodiodes ir atbildīgas par gaismas signālu, kas tiek pārraidīti caur pirkstiem, pārveidošanu elektriskos signālos, un to darbība tieši ietekmē signāla -to{1}}trokšņu attiecību (SNR). Galvenie tehniskie parametri ietver:

Reakcijas viļņa garuma diapazons: tai ir jāaptver 400–1050 nm, lai vienlaikus reaģētu gan uz sarkano, gan infrasarkano gaismu;
Reakcijas ātrums: pieauguma laikam jābūt mazākam par 1 μs, lai fiksētu nelielas impulsa viļņu izmaiņas;
Tumšā strāva: tai jābūt mazākai par 0,1 nA, lai samazinātu vides gaismas traucējumus.
Tipiski pielietošanas gadījumi:
Noteikts medicīniskās kvalitātes oksimetrs izmanto OSRAM SFH 2701 fotodiode. Ja apgrieztā nobīde ir 5 V, tumšā strāva ir tikai 0,05 nA, un jutība sasniedz 0,55 A/W pie 940 nm. Ierīce ievērojami uzlabo augstas-frekvences reakcijas spēju, optimizējot PN savienojuma struktūru un samazinot savienojuma kapacitāti līdz 1,7 pF.

Ķēdes projektēšanas galvenie punkti:

Transimpedances pastiprinātājs (TIA): pārveido fotodiodes vājās strāvas signālu (parasti 0,1-10 μA) sprieguma signālā. Piemēram, noteiktā dizainā tiek izmantots darbības pastiprinātājs AD8065, lai izveidotu TIA ar atgriezeniskās saites pretestību 1M Ω, panākot konversijas pastiprinājumu 0,1 V/μ A.
Vides gaismas slāpēšana: vides gaismas traucējumu dubulta slāpēšana tiek panākta, izmantojot optiskos filtrus (piemēram, 660 nm un 940 nm frekvenču joslas filtrus) un ķēdes filtrus (piemēram, RC zemfrekvences filtrus). Eksperimentālie dati liecina, ka šī shēma var samazināt 50Hz jaudas frekvences traucējumus par 40dB.
Temperatūras kompensācija: blakus fotodiodei ir integrēts NTC termistors, un TIA pastiprinājums tiek pielāgots reāllaikā,{0}} izmantojot mikrokontrolleri, lai kompensētu temperatūras novirzi. Piemēram, noteikta konstrukcija kontrolē izejas sprieguma svārstības ± 0,5% robežās no -20 grādiem līdz 50 grādiem.
3, trokšņu slāpēšana: pilna saites optimizācija no aparatūras uz algoritmu
Oksimetra signāls satur vairākus trokšņa avotus, kas ir jānovērš, izmantojot aparatūras un algoritmu koordināciju:

Aparatūras filtrēšana:
Priekšpastiprināšana: lai izveidotu TIA un samazinātu termisko troksni, tiek izmantots zema-trokšņa darbības pastiprinātājs (piemēram, OPA2333, ar ieejas sprieguma trokšņu blīvumu tikai 3,5 nV/√ Hz);
Joslas caurlaides filtrēšana: izņemiet impulsa viļņu signālus 0,7-3 Hz, izmantojot otrās -kārtības-filtru (griezes frekvence 11,25 Hz) un pirmās -pakāpes augstas caurlaidības filtru (griezes frekvence 0,0159 Hz);
50 Hz iecirtums: izmantojot duālo T tīklu vai aktīvo filtrēšanas ķēdi, lai nomāktu strāvas frekvences traucējumus.
Digitālā filtrēšana:
FIR filtrs: izmanto, lai noņemtu augstfrekvences{0}}trokšņus un saglabātu impulsa viļņu funkcijas;
Adaptīvā filtrēšana: dinamiska filtra koeficientu pielāgošana, izmantojot LMS algoritmu, lai novērstu kustības artefaktus. Daži eksperimentālie dati liecina, ka šī shēma var samazināt kustības traucējumu radīto mērījumu kļūdu no ± 5% līdz ± 1,5%.
4, Dinamiskā kompensācija: pielāgojieties dažādiem fizioloģiskiem un lietošanas scenārijiem
Lai uzlabotu mērījumu universālumu, oksimetram ir dinamiski jākompensē šādi scenāriji:

Ādas krāsas atšķirība: tumšai ādai ir spēcīgāka gaismas absorbcija, un tai ir jākompensē signāla vājināšanās, pielāgojot LED piedziņas strāvu (piemēram, palielinot no 5mA līdz 10mA) vai TIA pastiprinājumu. Noteiktā dizainā tiek izmantots mikrokontrolleris, lai reāllaikā uzraudzītu fotodiožu izejas spriegumu un automātiski pielāgotu pastiprinājuma koeficientu.
Zems perfūzijas stāvoklis: trieciens vai hipotermija izraisa impulsa viļņa amplitūdas samazināšanos, un signāla -pret-trokšņu attiecība ir jāuzlabo, palielinot paraugu ņemšanas ātrumu (piemēram, no 100 Hz līdz 500 Hz) un pagarinot integrācijas laiku (piemēram, no 100 ms līdz 500 ms). Klīniskais pētījums parādīja, ka šī pieeja var palielināt mērījumu panākumu līmeni pacientiem ar zemu perfūziju no 75% līdz 92%.
Zondes nobīde: pārraugot signāla amplitūdas izmaiņas (piemēram, samazināšanos par vairāk nekā 30%), tiek iedarbināta trauksme, kas mudina lietotāju no jauna salabot zondi. Pārnēsājamais oksimetrs integrē paātrinājuma sensoru un vēl vairāk nomāc pārvietošanās traucējumus, izmantojot kustības noteikšanas algoritmus.
5, klīniskā validācija un atbilstība standartam
Medicīniskās kvalitātes oksimetriem ir nepieciešama stingra klīniska validācija un atbilstība standartam:

Klīnisko datu pielāgošana: izveidojiet kartēšanas līkni starp R vērtību (sarkanās gaismas un infrasarkanās gaismas AC/DC signāla attiecība) un SpO ₂, pamatojoties uz lielu brīvprātīgo datu apjomu. Piemēram, noteikta oksimetra modeļa kalibrēšanas līkne aptver SpO ₂ 70% -100% diapazonu ar maksimālo kļūdu, kas ir mazāka vai vienāda ar 2%.
IEC 60601-2-20 standarts: pieprasa, lai LED gaismas intensitāte nepārsniegtu 10mW/cm², lai izvairītos no ādas apdegumiem; Tajā pašā laikā ir noteikts, ka mērījumu kļūda nedrīkst pārsniegt ± 3% SpO ₂ 70% -100% robežās.