ऑक्सीमीटर सर्किट में डायोड की सटीक माप कैसे सुनिश्चित करें?

1, दोहरी तरंग दैर्ध्य एलईडी: सटीक सिग्नल पीढ़ी की आधारशिला
ऑक्सीमीटर 660 एनएम लाल प्रकाश और 940 एनएम अवरक्त प्रकाश के साथ एक दोहरी तरंग दैर्ध्य एलईडी को अपनाता है, और इसका डिज़ाइन प्रकाश की विभिन्न तरंग दैर्ध्य के लिए हीमोग्लोबिन (एचबी) और ऑक्सीजन युक्त हीमोग्लोबिन (एचबीओ ₂) की अवशोषण विशेषताओं में अंतर पर आधारित है। विशेष रूप से:

660 एनएम लाल बत्ती: एचबीओ ₂ अवशोषण दर कम है, एचबी अवशोषण दर अधिक है, और सिग्नल की तीव्रता धमनी ऑक्सीजन सामग्री के साथ नकारात्मक रूप से संबंधित है;
940 एनएम अवरक्त प्रकाश: एचबीओ अवशोषण दर एचबी की तुलना में काफी अधिक है, और सिग्नल की तीव्रता धमनी ऑक्सीजन सामग्री के साथ सकारात्मक रूप से सहसंबद्ध है।
तकनीकी कार्यान्वयन के मुख्य बिंदु:

समय नियंत्रण: दो प्रकाश संकेतों के बीच आपसी हस्तक्षेप से बचने के लिए एलईडी को एच-ब्रिज सर्किट के माध्यम से बारी-बारी से फ्लैश करने के लिए चलाएं (आमतौर पर 100 - 500 हर्ट्ज की आवृत्ति पर)। उदाहरण के लिए, ऑक्सीमीटर का एक निश्चित मॉडल एलईडी ड्राइवर चिप को नियंत्रित करने के लिए एमएसपी430 माइक्रोकंट्रोलर के पीडब्लूएम सिग्नल का उपयोग करता है, जिससे 0.5 एमएस के अंतराल पर लाल और अवरक्त प्रकाश की वैकल्पिक रोशनी प्राप्त होती है।
लगातार चालू ड्राइव: स्थिर एलईडी चमकदार तीव्रता सुनिश्चित करने और प्रकाश की तीव्रता पर बिजली आपूर्ति के उतार-चढ़ाव के हस्तक्षेप को खत्म करने के लिए एक निरंतर वर्तमान स्रोत सर्किट का उपयोग करना। एक क्लिनिकल ग्रेड ऑक्सीमीटर एक फीडबैक लूप बनाने के लिए एक सटीक अवरोधक (जैसे 0.1% सटीकता) और एक परिचालन एम्पलीफायर का उपयोग करता है, जो ± 0.5% के भीतर एलईडी वर्तमान उतार-चढ़ाव को नियंत्रित करता है।
प्रकाश की तीव्रता अंशांकन: उत्पादन प्रक्रिया में, एलईडी आउटपुट प्रकाश की तीव्रता को दो तरंग दैर्ध्य के सिग्नल आयामों से मेल खाने और बाद के सिग्नल प्रोसेसिंग की गतिशील रेंज में सुधार करने के लिए ऑप्टिकल फिल्टर के माध्यम से समायोजित किया जाता है। उदाहरण के लिए, एक पोर्टेबल ऑक्सीमीटर फैक्ट्री छोड़ने से पहले 1:1.2 ± 0.05 पर लाल और अवरक्त प्रकाश की तीव्रता अनुपात को नियंत्रित करने के लिए एक एकीकृत क्षेत्र अंशांकन प्रणाली का उपयोग करता है।
2, फोटोडायोड: उच्च संवेदनशीलता फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण का मूल
फोटोडायोड अंगुलियों के माध्यम से प्रेषित प्रकाश संकेतों को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करने के लिए जिम्मेदार हैं, और उनका प्रदर्शन सीधे सिग्नल को {{0} से {{1} शोर अनुपात (एसएनआर) को प्रभावित करता है। प्रमुख तकनीकी मापदंडों में शामिल हैं:

प्रतिक्रिया तरंग दैर्ध्य सीमा: लाल और अवरक्त प्रकाश दोनों पर एक साथ प्रतिक्रिया करने के लिए इसे 400-1050nm को कवर करने की आवश्यकता होती है;
प्रतिक्रिया गति: पल्स तरंगों में छोटे बदलावों को पकड़ने के लिए वृद्धि का समय 1 μs से कम होना चाहिए;
डार्क करंट: पर्यावरणीय प्रकाश हस्तक्षेप को कम करने के लिए इसे 0.1nA से कम होना चाहिए।
विशिष्ट अनुप्रयोग मामले:
एक निश्चित मेडिकल ग्रेड ऑक्सीमीटर OSRAM SFH 2701 फोटोडायोड का उपयोग करता है। जब रिवर्स बायस 5V होता है, तो डार्क करंट केवल 0.05nA होता है, और प्रतिक्रियाशीलता 940nm पर 0.55A/W तक पहुंच जाती है। डिवाइस पीएन जंक्शन संरचना को अनुकूलित करके और जंक्शन कैपेसिटेंस को 1.7pF तक कम करके अपनी उच्च आवृत्ति प्रतिक्रिया क्षमता में उल्लेखनीय रूप से सुधार करता है।

सर्किट डिज़ाइन के मुख्य बिंदु:

ट्रांस प्रतिबाधा एम्पलीफायर (टीआईए): एक फोटोडायोड के कमजोर वर्तमान सिग्नल (आमतौर पर 0.1-10 μ ए) को वोल्टेज सिग्नल में परिवर्तित करता है। उदाहरण के लिए, एक निश्चित डिज़ाइन TIA के निर्माण के लिए AD8065 ऑपरेशनल एम्पलीफायर का उपयोग करता है, जिसमें 1M Ω का फीडबैक प्रतिरोध होता है, जिससे 0.1V/μA का रूपांतरण लाभ प्राप्त होता है।
पर्यावरणीय प्रकाश दमन: पर्यावरणीय प्रकाश हस्तक्षेप का दोहरा दमन ऑप्टिकल फिल्टर (जैसे 660 एनएम और 940 एनएम बैंडपास फिल्टर) और सर्किट फिल्टर (जैसे आरसी कम - पास फिल्टर) के माध्यम से प्राप्त किया जाता है। प्रायोगिक डेटा से पता चलता है कि यह योजना 50Hz बिजली आवृत्ति हस्तक्षेप को 40dB तक कम कर सकती है।
तापमान मुआवजा: एक एनटीसी थर्मिस्टर को फोटोडायोड के बगल में एकीकृत किया गया है, और तापमान बहाव की भरपाई के लिए टीआईए लाभ को एक माइक्रोकंट्रोलर के माध्यम से वास्तविक समय में समायोजित किया जाता है। उदाहरण के लिए, एक निश्चित डिज़ाइन -20 डिग्री से 50 डिग्री की सीमा के भीतर ± 0.5% के भीतर आउटपुट वोल्टेज के उतार-चढ़ाव को नियंत्रित करता है।
3, शोर दमन: हार्डवेयर से एल्गोरिदम तक पूर्ण लिंक अनुकूलन
ऑक्सीमीटर के सिग्नल में शोर के कई स्रोत होते हैं, जिन्हें हार्डवेयर और एल्गोरिदम समन्वय के माध्यम से दबाने की आवश्यकता होती है:

हार्डवेयर फ़िल्टरिंग:
प्रीएम्प्लीफिकेशन: एक कम शोर ऑपरेशनल एम्पलीफायर (जैसे OPA2333, केवल 3.5nV/√ Hz के इनपुट वोल्टेज शोर घनत्व के साथ) का उपयोग TIA के निर्माण और थर्मल शोर को कम करने के लिए किया जाता है;
बैंडपास फ़िल्टरिंग: दूसरे {{2}ऑर्डर कम{3}पास फ़िल्टर (फ़्रीक्वेंसी 11.25Hz से कम करें) और पहले {6}ऑर्डर हाई पास फ़िल्टर (कट-ऑफ़ फ़्रीक्वेंसी 0.0159Hz) के माध्यम से 0.7{1}}3Hz के पल्स वेव सिग्नल निकालें;
50 हर्ट्ज नॉच: बिजली आवृत्ति हस्तक्षेप को दबाने के लिए दोहरी टी नेटवर्क या सक्रिय फ़िल्टरिंग सर्किट का उपयोग करना।
डिजिटल फ़िल्टरिंग:
एफआईआर फिल्टर: उच्च आवृत्ति शोर को हटाने और पल्स तरंग सुविधाओं को संरक्षित करने के लिए उपयोग किया जाता है;
अनुकूली फ़िल्टरिंग: गति कलाकृतियों को दबाने के लिए एलएमएस एल्गोरिदम के माध्यम से फ़िल्टर गुणांक को गतिशील रूप से समायोजित करना। एक निश्चित प्रयोगात्मक डेटा से पता चलता है कि यह योजना गति हस्तक्षेप के कारण होने वाली माप त्रुटि को ± 5% से ± 1.5% तक कम कर सकती है।
4, गतिशील मुआवजा: विभिन्न शारीरिक और उपयोग परिदृश्यों के अनुकूल
माप की सार्वभौमिकता में सुधार के लिए, ऑक्सीमीटर को निम्नलिखित परिदृश्यों के लिए गतिशील रूप से क्षतिपूर्ति करने की आवश्यकता है:

त्वचा के रंग में अंतर: गहरे रंग की त्वचा में प्रकाश का अधिक अवशोषण होता है और एलईडी ड्राइविंग करंट (जैसे 5mA से 10mA तक बढ़ना) या TIA लाभ को समायोजित करके सिग्नल क्षीणन की भरपाई की जानी चाहिए। एक निश्चित डिज़ाइन वास्तविक समय में फोटोडायोड के आउटपुट वोल्टेज की निगरानी करने और लाभ गुणांक को स्वचालित रूप से समायोजित करने के लिए एक माइक्रोकंट्रोलर का उपयोग करता है।
कम छिड़काव अवस्था: शॉक या हाइपोथर्मिया से पल्स तरंग आयाम में कमी आती है, और नमूना दर (जैसे 100 हर्ट्ज से 500 हर्ट्ज तक) बढ़ाकर और एकीकरण समय (जैसे 100 एमएस से 500 एमएस तक) बढ़ाकर सिग्नल - से - शोर अनुपात में सुधार करने की आवश्यकता होती है। एक नैदानिक ​​अध्ययन से पता चला है कि यह दृष्टिकोण कम छिड़काव वाले रोगियों की माप सफलता दर को 75% से 92% तक बढ़ा सकता है।
जांच विस्थापन: सिग्नल आयाम में परिवर्तन (जैसे कि 30% से अधिक की कमी) की निगरानी करके, उपयोगकर्ता को जांच को फिर से ठीक करने के लिए संकेत देने के लिए एक अलार्म चालू हो जाता है। एक पोर्टेबल ऑक्सीमीटर एक त्वरण सेंसर को एकीकृत करता है और गति पहचान एल्गोरिदम के माध्यम से विस्थापन हस्तक्षेप को दबाता है।
5, नैदानिक ​​सत्यापन और मानक अनुपालन
मेडिकल ग्रेड ऑक्सीमीटर को सख्त नैदानिक ​​सत्यापन और मानक अनुपालन की आवश्यकता होती है:

क्लिनिकल डेटा फिटिंग: बड़ी मात्रा में स्वयंसेवक डेटा के आधार पर आर मान (लाल बत्ती से अवरक्त प्रकाश एसी/डीसी सिग्नल अनुपात) और एसपीओ ₂ के बीच एक मैपिंग वक्र स्थापित करें। उदाहरण के लिए, ऑक्सीमीटर के एक निश्चित मॉडल का अंशांकन वक्र SpO₂ 70% -100% की सीमा को कवर करता है, जिसमें अधिकतम त्रुटि 2% से कम या उसके बराबर होती है।
IEC 60601-2-20 मानक: त्वचा की जलन से बचने के लिए एलईडी प्रकाश की तीव्रता 10mW/cm² से अधिक नहीं होनी चाहिए; साथ ही, यह निर्धारित किया गया है कि माप त्रुटि SpO ₂ 70% -100% की सीमा के भीतर ± 3% से अधिक नहीं होगी।