Qual é a aplicação de diodos em equipamentos de monitoramento de glicemia?

1, A essência técnica dos fotodiodos: conversão precisa de sinais ópticos em sinais elétricos
A função principal de um fotodiodo é converter sinais ópticos em sinais elétricos através do efeito fotoelétrico de uma junção PN. Quando a luz de um comprimento de onda específico é irradiada na junção PN, a energia do fóton excita os elétrons da banda de valência para a transição para a banda de condução, formando pares de buracos de elétrons (portadores fotogerados). Sob a ação da polarização reversa, o movimento direcional dos portadores de carga gera fotocorrente, e sua intensidade está linearmente relacionada à potência da luz incidente. Este processo envolve três parâmetros principais:

Eficiência quântica: determina diretamente a eficiência de conversão fotoelétrica. Por exemplo, os fotodiodos InGaAs podem atingir uma eficiência quântica superior a 90% em um comprimento de onda de 1310 nm, melhorando significativamente as capacidades de detecção de luz fraca.
Tempo de resposta: determina a velocidade com que o aparelho capta alterações na concentração de glicose no sangue. Os fotodiodos do tipo PIN reduzem o tempo de trânsito da portadora para o nível de picossegundos, otimizando a espessura intrínseca da camada, atendendo aos requisitos de monitoramento-em tempo real.
Corrente escura: afeta a precisão da detecção de baixa concentração. O fotodiodo PIN InGaAs de baixa corrente escura de 0,3 mm desenvolvido pela Beijing Minguang Technology tem uma corrente escura de menos de 0,1nA e tem um bom desempenho na detecção de sinais de luz fracos.
Tomando como exemplo o detector de glicose no sangue não{0}invasivo, ele usa diodos laser de comprimento de onda duplo de 1310nm e 1550nm para irradiar a pele, e o conjunto de fotodiodos recebe o sinal de luz de reflexão difusa. Ao medir as diferenças de absorção de luz em diferentes comprimentos de onda e combiná-las com o algoritmo de regressão de mínimos quadrados parciais (PLSR), a influência de substâncias interferentes, como água e proteínas, pode ser eliminada, alcançando um cálculo preciso da concentração de glicose no sangue.

2, Monitoramento não invasivo da glicemia: uma revolução tecnológica impulsionada por diodos
O monitoramento tradicional da glicemia requer a punção da pele para coleta de sangue, o que representa um risco de infecção e não pode ser monitorado continuamente. O avanço da tecnologia de diodo torna possível o monitoramento não{1}invasivo, e seus princípios básicos incluem:

Método de absorção por espectroscopia no infravermelho próximo: A glicose tem picos de absorção característicos na faixa de comprimento de onda de 750-1850nm. Ao emitir luz de comprimento de onda específico através de diodos laser DFB, a intensidade de absorção de glicose no fluido tecidual é detectada por fotodiodos. Por exemplo, o laser DFB de 1550 nm produzido por Sichuan Tengguang possui um módulo de controle de temperatura TEC integrado-, com estabilidade de energia melhor que ± 0,5%, garantindo confiabilidade de monitoramento a longo prazo.
Método de efeito fotoacústico: Quando o laser irradia a pele, a glicose absorve a energia luminosa para gerar ondas de ultrassom. Depois que o sensor ultrassônico captura o sinal, o fotodiodo converte a mudança na intensidade da luz em um sinal elétrico. O dispositivo vestível desenvolvido pela Universidade de Tsinghua adota um conjunto de diodos laser de três comprimentos de onda e processa três conjuntos de dados por meio de fusão DSP, com uma precisão de detecção de ± 10mg/dL.
Método de detecção de rotação óptica: Usando as características de rotação óptica da glicose, a concentração é calculada medindo o ângulo de deflexão da luz transmitida. Diodos emissores de-luz orgânicos (OLEDs) como fontes de luz, combinados com matrizes de fotodiodos, podem alcançar detecção sem-contato e são adequados para monitoramento dinâmico de glicose no sangue.

3, Detecção de fusão de múltiplos comprimentos de onda: uma tecnologia chave para aprimorar a capacidade anti-interferência
A composição do tecido humano é complexa e as características de absorção de luz de substâncias como água, proteína e gordura são semelhantes às da glicose, o que pode facilmente causar interferência cruzada. A detecção de fusão de múltiplos comprimentos de onda melhora a precisão por meio das seguintes estratégias:

Otimização da seleção do comprimento de onda: Experimentos mostraram que a combinação dos comprimentos de onda de 750nm, 980nm e 1310nm pode cobrir o pico de absorção principal da glicose, evitando a forte região de absorção da água (1450nm). Por exemplo, um determinado modelo de medidor de glicose no sangue adota um design de comprimento de onda duplo de 750 nm e 980 nm e elimina a interferência de fundo por meio de algoritmo diferencial, com um erro de detecção inferior a 15%.
Tecnologia de ajuste dinâmico: ao controlar a corrente do diodo laser para sintonizar dentro de um intervalo de 15 nm, é obtida a captura-em tempo real de alterações nos picos de absorção de glicose. O sistema de simulação física mostra que o ajuste dinâmico pode aumentar a sensibilidade de detecção em 40%.
Modelagem quimiométrica: Combinando algoritmos de regressão de mínimos quadrados parciais (PLSR) ou de máquina de vetores de suporte (SVM), estabeleça um modelo não linear de intensidade de absorção de luz e concentração de glicose no sangue. Os dados clínicos mostram que o coeficiente de correlação preditiva (R²) do modelo de fusão de três comprimentos de onda é 0,92, significativamente melhor que o do modelo de comprimento de onda único (R²=0.78).

4, design anti-interferência: engenharia de sistema para garantir confiabilidade clínica
O equipamento de monitoramento de glicose no sangue precisa lidar com vários desafios, como luz ambiente, interferência eletromagnética e ruído do dispositivo. O design anti-interferência precisa ser otimizado tanto nos níveis de hardware quanto de algoritmo

Projeto de hardware:
Filtragem óptica: Instale um filtro de banda estreita na frente do fotodiodo para suprimir a interferência da luz de comprimento de onda não alvo. Por exemplo, a largura de banda de um filtro de 1310 nm pode ser controlada dentro de ± 10 nm e a transmitância é superior a 90%.
Blindagem eletromagnética: O invólucro de metal é usado para encapsular fotodiodos, reduzindo a interferência de frequência de energia de 50 Hz. Experimentos mostraram que o projeto de blindagem pode melhorar a relação sinal-para-ruído (SNR) em 20dB.
Amplificação de baixo ruído: Um amplificador operacional de entrada JFET é usado para construir um circuito de amplificação de transimpedância, reduzindo a densidade da tensão de ruído de entrada para 0,5nV/√ Hz. Por exemplo, o ruído total do circuito de um determinado modelo de medidor de glicose no sangue é inferior a 0,3mV, o que atende ao requisito de conversão AD de 12 bits.
Otimização de algoritmo:
Eliminação de ruído de wavelet: decompõe o sinal de fotocorrente usando a base de wavelet db4 para filtrar ruído de alta-frequência. Testes clínicos mostraram que a eliminação de ruído wavelet pode melhorar a suavidade do sinal em 35%.
Filtragem adaptativa: usando o algoritmo LMS para ajustar dinamicamente os coeficientes do filtro e suprimir as flutuações da luz ambiental em tempo real. Por exemplo, sob uma luz de fundo de 1.000 lux, a filtragem adaptativa pode reduzir o erro de detecção em 50%.
Compensação de temperatura: Monitore a temperatura da junção do fotodiodo através de um termistor e corrija o desvio da corrente escura usando um método de tabela de consulta. Experimentos mostraram que a compensação de temperatura pode estabilizar o erro de detecção na faixa de 25 graus a 40 graus dentro de ± 8mg/dL.