रक्त ग्लूकोज निगरानी उपकरण में डायोड का अनुप्रयोग क्या है?

1, फोटोडायोड का तकनीकी सार: ऑप्टिकल सिग्नल से विद्युत सिग्नल में सटीक रूपांतरण
फोटोडायोड का मुख्य कार्य पीएन जंक्शन के फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के माध्यम से ऑप्टिकल संकेतों को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करना है। जब एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य का प्रकाश पीएन जंक्शन पर विकिरणित होता है, तो फोटॉन ऊर्जा वैलेंस बैंड इलेक्ट्रॉनों को चालन बैंड में संक्रमण के लिए उत्तेजित करती है, जिससे इलेक्ट्रॉन छेद जोड़े (फोटो उत्पन्न वाहक) बनते हैं। रिवर्स बायस की क्रिया के तहत, आवेश वाहकों की दिशात्मक गति फोटोकरंट उत्पन्न करती है, और इसकी तीव्रता रैखिक रूप से आपतित प्रकाश शक्ति से संबंधित होती है। इस प्रक्रिया में तीन प्रमुख पैरामीटर शामिल हैं:

क्वांटम दक्षता: सीधे फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण दक्षता निर्धारित करती है। उदाहरण के लिए, InGaAs फोटोडायोड 1310 एनएम की तरंग दैर्ध्य पर 90% से अधिक की क्वांटम दक्षता प्राप्त कर सकते हैं, जिससे कमजोर प्रकाश पहचान क्षमताओं में काफी सुधार होता है।
प्रतिक्रिया समय: वह गति निर्धारित करता है जिस पर डिवाइस रक्त ग्लूकोज एकाग्रता में परिवर्तन को पकड़ता है। पिन प्रकार के फोटोडायोड वास्तविक समय की निगरानी आवश्यकताओं को पूरा करते हुए, आंतरिक परत की मोटाई को अनुकूलित करके वाहक पारगमन समय को पिकोसेकंड स्तर तक कम कर देते हैं।
डार्क करंट: कम सांद्रता का पता लगाने की सटीकता को प्रभावित करता है। बीजिंग मिंगुआंग टेक्नोलॉजी द्वारा विकसित लो डार्क करंट 0.3 मिमी InGaAs पिन फोटोडायोड में 0.1nA से कम का डार्क करंट होता है और यह कमजोर प्रकाश संकेतों का पता लगाने में अच्छा प्रदर्शन करता है।
एक उदाहरण के रूप में गैर-इनवेसिव रक्त ग्लूकोज डिटेक्टर को लेते हुए, यह त्वचा को विकिरणित करने के लिए 1310nm और 1550nm के दोहरे तरंग दैर्ध्य लेजर डायोड का उपयोग करता है, और फोटोडायोड सरणी विसरित प्रतिबिंब प्रकाश संकेत प्राप्त करती है। विभिन्न तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश के अवशोषण अंतर को मापकर और उन्हें आंशिक न्यूनतम वर्ग प्रतिगमन (पीएलएसआर) एल्गोरिदम के साथ जोड़कर, पानी और प्रोटीन जैसे हस्तक्षेप करने वाले पदार्थों के प्रभाव को समाप्त किया जा सकता है, जिससे रक्त ग्लूकोज एकाग्रता की सटीक गणना प्राप्त की जा सकती है।

2, गैर आक्रामक रक्त ग्लूकोज निगरानी: डायोड द्वारा संचालित एक तकनीकी क्रांति
पारंपरिक रक्त ग्लूकोज निगरानी के लिए रक्त संग्रह के लिए त्वचा में छेद करने की आवश्यकता होती है, जिससे संक्रमण का खतरा होता है और लगातार निगरानी नहीं की जा सकती है। डायोड प्रौद्योगिकी की सफलता ने गैर-आक्रामक निगरानी को संभव बना दिया है, और इसके मूल सिद्धांतों में शामिल हैं:

निकट अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी अवशोषण विधि: ग्लूकोज की विशेषता अवशोषण शिखर 750-1850nm तरंग दैर्ध्य रेंज में होती है। डीएफबी लेजर डायोड के माध्यम से विशिष्ट तरंग दैर्ध्य प्रकाश उत्सर्जित करके, फोटोडायोड द्वारा ऊतक द्रव में ग्लूकोज की अवशोषण तीव्रता का पता लगाया जाता है। उदाहरण के लिए, सिचुआन टेंगगुआंग द्वारा उत्पादित 1550nm DFB लेजर में एक अंतर्निर्मित TEC तापमान नियंत्रण मॉड्यूल है, जिसकी शक्ति स्थिरता ± 0.5% से बेहतर है, जो दीर्घकालिक निगरानी विश्वसनीयता सुनिश्चित करता है।
फोटोकॉस्टिक प्रभाव विधि: जब लेजर त्वचा को विकिरणित करता है, तो ग्लूकोज अल्ट्रासाउंड तरंगें उत्पन्न करने के लिए प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित करता है। अल्ट्रासोनिक सेंसर सिग्नल को पकड़ने के बाद, फोटोडायोड प्रकाश की तीव्रता में परिवर्तन को विद्युत सिग्नल में परिवर्तित करता है। सिंघुआ विश्वविद्यालय द्वारा विकसित पहनने योग्य उपकरण तीन तरंग दैर्ध्य लेजर डायोड सरणी को अपनाता है और ± 10mg/dL की पहचान सटीकता के साथ डीएसपी फ्यूजन के माध्यम से डेटा के तीन सेटों को संसाधित करता है।
ऑप्टिकल रोटेशन का पता लगाने की विधि: ग्लूकोज की ऑप्टिकल रोटेशन विशेषताओं का उपयोग करके, संचरित प्रकाश के विक्षेपण कोण को मापकर एकाग्रता की गणना की जाती है। प्रकाश स्रोतों के रूप में कार्बनिक प्रकाश उत्सर्जक डायोड (ओएलईडी), फोटोडायोड सरणियों के साथ मिलकर, गैर-संपर्क पहचान प्राप्त कर सकते हैं और गतिशील रक्त ग्लूकोज निगरानी के लिए उपयुक्त हैं।

3, मल्टी वेवलेंथ फ़्यूज़न डिटेक्शन: विरोधी -हस्तक्षेप क्षमता को बढ़ाने के लिए एक प्रमुख तकनीक
मानव ऊतक की संरचना जटिल है, और पानी, प्रोटीन और वसा जैसे पदार्थों की प्रकाश अवशोषण विशेषताएं ग्लूकोज के समान हैं, जो आसानी से क्रॉस हस्तक्षेप का कारण बन सकती हैं। मल्टी वेवलेंथ फ़्यूज़न डिटेक्शन निम्नलिखित रणनीतियों के माध्यम से सटीकता में सुधार करता है:

तरंग दैर्ध्य चयन का अनुकूलन: प्रयोगों से पता चला है कि 750 एनएम, 980 एनएम और 1310 एनएम तरंग दैर्ध्य का संयोजन पानी के मजबूत अवशोषण क्षेत्र (1450 एनएम) से बचते हुए ग्लूकोज के मुख्य अवशोषण शिखर को कवर कर सकता है। उदाहरण के लिए, रक्त ग्लूकोज मीटर का एक निश्चित मॉडल 750nm और 980nm की दोहरी तरंग दैर्ध्य डिजाइन को अपनाता है, और 15% से कम की पहचान त्रुटि के साथ, अंतर एल्गोरिदम के माध्यम से पृष्ठभूमि हस्तक्षेप को समाप्त करता है।
गतिशील ट्यूनिंग तकनीक: 15 एनएम की सीमा के भीतर ट्यून करने के लिए लेजर डायोड के वर्तमान को नियंत्रित करके, ग्लूकोज अवशोषण शिखर में परिवर्तनों का वास्तविक समय पर कब्जा प्राप्त किया जाता है। भौतिक सिमुलेशन प्रणाली से पता चलता है कि गतिशील ट्यूनिंग पहचान संवेदनशीलता को 40% तक बढ़ा सकती है।
केमोमेट्रिक मॉडलिंग: आंशिक न्यूनतम वर्ग प्रतिगमन (पीएलएसआर) या सपोर्ट वेक्टर मशीन (एसवीएम) एल्गोरिदम का संयोजन, प्रकाश अवशोषण तीव्रता और रक्त ग्लूकोज एकाग्रता का एक गैर-रेखीय मॉडल स्थापित करता है। क्लिनिकल डेटा से पता चलता है कि तीन तरंग दैर्ध्य संलयन मॉडल का पूर्वानुमानित सहसंबंध गुणांक (आर ²) 0.92 है, जो एकल तरंग दैर्ध्य मॉडल (आर ² =0.78) की तुलना में काफी बेहतर है।

4, एंटी इंटरफेरेंस डिज़ाइन: क्लिनिकल विश्वसनीयता सुनिश्चित करने के लिए सिस्टम इंजीनियरिंग
रक्त ग्लूकोज निगरानी उपकरण को पर्यावरणीय प्रकाश, विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप और डिवाइस शोर जैसी कई चुनौतियों से निपटने की आवश्यकता होती है। एंटी इंटरफेरेंस डिज़ाइन को हार्डवेयर और एल्गोरिदम दोनों स्तरों से अनुकूलित करने की आवश्यकता है

हार्डवेयर डिज़ाइन:
ऑप्टिकल फ़िल्टरिंग: गैर लक्ष्य तरंग दैर्ध्य प्रकाश से हस्तक्षेप को दबाने के लिए फोटोडायोड के सामने एक नैरोबैंड फ़िल्टर स्थापित करें। उदाहरण के लिए, 1310nm फ़िल्टर की बैंडविड्थ को ± 10nm के भीतर नियंत्रित किया जा सकता है, और संप्रेषण 90% से अधिक है।
विद्युत चुम्बकीय परिरक्षण: धातु आवरण का उपयोग फोटोडायोड को एनकैप्सुलेट करने के लिए किया जाता है, जिससे 50 हर्ट्ज बिजली आवृत्ति हस्तक्षेप कम हो जाता है। प्रयोगों से पता चला है कि परिरक्षण डिज़ाइन सिग्नल को 20dB तक शोर अनुपात (SNR) में सुधार कर सकता है।
कम शोर प्रवर्धन: एक JFET इनपुट ऑपरेशनल एम्पलीफायर का उपयोग ट्रांसइम्पेडेंस एम्प्लीफिकेशन सर्किट के निर्माण के लिए किया जाता है, जो इनपुट शोर वोल्टेज घनत्व को 0.5nV/√ Hz तक कम करता है। उदाहरण के लिए, रक्त ग्लूकोज मीटर के एक निश्चित मॉडल के सर्किट का कुल शोर 0.3mV से कम है, जो 12 बिट AD रूपांतरण की आवश्यकता को पूरा करता है।
एल्गोरिथम अनुकूलन:
वेवलेट डीनोइज़िंग: उच्च आवृत्ति शोर को फ़िल्टर करने के लिए db4 वेवलेट आधार का उपयोग करके फोटोक्रेक्ट सिग्नल को विघटित करें। नैदानिक ​​​​परीक्षणों से पता चला है कि वेवलेट डीनोइज़िंग सिग्नल की चिकनाई में 35% तक सुधार कर सकता है।
अनुकूली फ़िल्टरिंग: फ़िल्टर गुणांक को गतिशील रूप से समायोजित करने और वास्तविक समय में पर्यावरणीय प्रकाश के उतार-चढ़ाव को दबाने के लिए एलएमएस एल्गोरिदम का उपयोग करना। उदाहरण के लिए, 1000lux की पृष्ठभूमि रोशनी के तहत, अनुकूली फ़िल्टरिंग डिटेक्शन त्रुटि को 50% तक कम कर सकता है।
तापमान मुआवजा: एक थर्मिस्टर के माध्यम से फोटोडायोड के जंक्शन तापमान की निगरानी करें और लुकअप टेबल विधि का उपयोग करके डार्क करंट बहाव को ठीक करें। प्रयोगों से पता चला है कि तापमान मुआवजा ± 8mg/dL के भीतर 25 डिग्री से 40 डिग्री की सीमा के भीतर पता लगाने में त्रुटि को स्थिर कर सकता है।