Sut i sicrhau mesuriad cywir o ddeuodau mewn cylchedau ocsimedr?

1, tonfedd deuol LED: conglfaen cynhyrchu signal manwl gywir
Mae'r oximeter yn mabwysiadu tonfedd deuol LED gyda golau coch 660nm a golau isgoch 940nm, ac mae ei ddyluniad yn seiliedig ar y gwahaniaeth yn nodweddion amsugno hemoglobin (Hb) a hemoglobin ocsigenedig (HbO ₂) ar gyfer gwahanol donfeddi golau. Yn benodol:

Golau coch 660nm: mae cyfradd amsugno HbO ₂ yn isel, mae cyfradd amsugno Hb yn uchel, ac mae dwyster signal wedi'i gydberthyn yn negyddol â chynnwys ocsigen arterial;
Golau is-goch 940nm: mae cyfradd amsugno HbO ₂ yn sylweddol uwch na Hb, ac mae dwyster y signal yn cydberthyn yn gadarnhaol â chynnwys ocsigen arterial.
Pwyntiau allweddol gweithredu technegol:

Rheoli amseru: Gyrrwch y LED i fflachio bob yn ail (fel arfer ar amledd o 100- 500Hz) trwy gylched pont H i osgoi ymyrraeth rhwng y ddau signal golau. Er enghraifft, mae model penodol o ocsimedr yn defnyddio signal PWM y microreolydd MSP430 i reoli'r sglodion gyrrwr LED, gan gyflawni goleuo bob yn ail o olau coch ac isgoch ar gyfnodau o 0.5ms.
Gyriant cerrynt cyson: defnyddio cylched ffynhonnell gyfredol gyson i sicrhau dwyster luminous LED sefydlog a dileu ymyrraeth amrywiadau cyflenwad pŵer ar ddwysedd golau. Mae ocsimedr gradd glinigol yn defnyddio gwrthydd manwl (fel cywirdeb 0.1%) a mwyhadur gweithredol i ffurfio dolen adborth, gan reoli amrywiadau cerrynt LED o fewn ± 0.5%.
Graddnodi dwyster golau: Yn y broses gynhyrchu, mae dwyster golau allbwn LED yn cael ei addasu trwy hidlwyr optegol i gyd-fynd ag amplitudes signal dwy donfedd a gwella ystod ddeinamig y prosesu signal dilynol. Er enghraifft, mae ocsimedr cludadwy yn defnyddio system graddnodi sffêr integredig i reoli cymhareb dwyster golau coch ac isgoch ar 1:1.2 ± 0.05 cyn gadael y ffatri.
2, Ffotodiode: craidd trosi ffotodrydanol sensitifrwydd uchel
Mae Photodiodes yn gyfrifol am drosi signalau golau a drosglwyddir trwy fysedd yn signalau trydanol, ac mae eu perfformiad yn effeithio'n uniongyrchol ar y gymhareb signal i sŵn (SNR). Mae'r paramedrau technegol allweddol yn cynnwys:

Ystod tonfedd ymateb: Mae angen iddo gwmpasu 400-1050nm i ymateb i olau coch ac isgoch ar yr un pryd;
Cyflymder ymateb: Dylai'r amser codi fod yn llai na 1 μ s i ddal newidiadau bach mewn tonnau pwls;
Cerrynt tywyll: Mae angen iddo fod yn is na 0.1nA i leihau ymyrraeth golau amgylcheddol.
Achosion cais nodweddiadol:
Mae ocsimedr gradd feddygol benodol yn defnyddio ffotodiode OSRAM SFH 2701. Pan fo'r gogwydd gwrthdro yn 5V, dim ond 0.05nA yw'r cerrynt tywyll, ac mae'r ymatebolrwydd yn cyrraedd 0.55A/W ar 940nm. Mae'r ddyfais yn gwella ei gallu ymateb amledd uchel yn sylweddol trwy optimeiddio strwythur y gyffordd PN a lleihau cynhwysedd y gyffordd i 1.7pF.

Pwyntiau allweddol dylunio cylched:

Mwyhadur rhwystriant traws (TIA): yn trosi'r signal cerrynt gwan (0.1-10 μ A fel arfer) ffotodiod yn signal foltedd. Er enghraifft, mae dyluniad penodol yn defnyddio mwyhadur gweithredol AD8065 i adeiladu TIA, gyda gwrthiant adborth o 1M Ω, gan sicrhau cynnydd trosi o 0.1V/μ A.
Atal golau amgylcheddol: Cyflawnir ataliad deuol ar ymyrraeth golau amgylcheddol trwy hidlwyr optegol (fel hidlwyr pas band 660nm a 940nm) a hidlwyr cylched (fel hidlwyr pas RC isel). Mae data arbrofol yn dangos y gall y cynllun hwn leihau ymyrraeth amledd pŵer 50Hz gan 40dB.
Iawndal tymheredd: Mae thermistor NTC wedi'i integreiddio wrth ymyl y ffotodiod, ac mae'r cynnydd TIA yn cael ei addasu mewn-amser real trwy ficroreolydd i wneud iawn am drifft tymheredd. Er enghraifft, mae dyluniad penodol yn rheoli'r amrywiad foltedd allbwn o fewn ± 0.5% o fewn yr ystod o -20 gradd i 50 gradd.
3, Atal Sŵn: Optimeiddio Cyswllt Llawn o Galedwedd i Algorithm
Mae signal yr ocsimedr yn cynnwys ffynonellau sŵn lluosog, y mae angen eu hatal trwy gydgysylltu caledwedd ac algorithm:

Hidlo caledwedd:
Rhagymhelaethiad: Defnyddir mwyhadur gweithredol sŵn isel (fel OPA2333, gyda dwysedd sŵn foltedd mewnbwn o 3.5nV/√ Hz yn unig) i adeiladu TIA a lleihau sŵn thermol;
Hidlo bandpass: Tynnu signalau tonnau curiad y galon o 0.7-3Hz trwy ail{2}}trefnu'n isel-hidlo pas (torri{5}}amledd 11.25Hz) a hidlydd pas uchel cyntaf-(amledd torri i ffwrdd 0.0159Hz);
Rhic 50Hz: defnyddio rhwydwaith T deuol neu gylched hidlo gweithredol i atal ymyrraeth amledd pŵer.
Hidlo digidol:
Hidlydd FIR: fe'i defnyddir i ddileu -sŵn amledd uchel a chadw nodweddion tonnau curiad y galon;
Hidlo addasol: addasu cyfernodau hidlo yn ddeinamig trwy algorithm LMS i atal arteffactau mudiant. Mae data arbrofol penodol yn dangos y gall y cynllun hwn leihau'r gwall mesur a achosir gan ymyrraeth symud o ± 5% i ± 1.5%.
4, Iawndal deinamig: addasu i wahanol senarios ffisiolegol a defnydd
Er mwyn gwella cyffredinolrwydd mesur, mae angen i'r ocsimedr wneud iawn yn ddeinamig am y senarios canlynol:

Gwahaniaeth lliw croen: Mae gan groen tywyll amsugno golau cryfach ac mae angen ei wneud iawn am wanhau signal trwy addasu'r cerrynt gyrru LED (fel cynyddu o 5mA i 10mA) neu ennill TIA. Mae dyluniad penodol yn defnyddio microreolydd i fonitro foltedd allbwn ffotodiodes mewn amser real ac addasu'r cyfernod ennill yn awtomatig.
Cyflwr darlifiad isel: Mae sioc neu hypothermia yn arwain at ostyngiad mewn osgled tonnau curiad y galon, ac mae angen gwella'r gymhareb signal i sŵn trwy gynyddu'r gyfradd samplu (fel o 100 Hz i 500 Hz) ac ymestyn yr amser integreiddio (fel o 100ms i 500ms). Dangosodd astudiaeth glinigol y gall y dull hwn gynyddu cyfradd llwyddiant mesur cleifion darlifiad isel o 75% i 92%.
Dadleoliad stiliwr: Trwy fonitro newidiadau mewn osgled signal (fel gostyngiad o fwy na 30%), mae larwm yn cael ei seinio i annog y defnyddiwr i ail-osod y stiliwr. Mae ocsimedr cludadwy yn integreiddio synhwyrydd cyflymu ac yn atal ymhellach ymyrraeth dadleoli trwy algorithmau canfod mudiant.
5, Dilysiad clinigol a chydymffurfiaeth safonol
Mae angen dilysiad clinigol llym a chydymffurfiaeth safonol ar gyfer ocsimetrau gradd feddygol:

Gosod data clinigol: Sefydlu cromlin fapio rhwng gwerth R (cymhareb signal AC/DC golau coch i olau isgoch) a SpO ₂ yn seiliedig ar lawer iawn o ddata gwirfoddolwyr. Er enghraifft, mae cromlin graddnodi model penodol o ocsimedr yn cwmpasu'r ystod o SpO ₂ 70% -100%, gydag uchafswm gwall Llai na neu'n hafal i 2%.
Safon IEC 60601-2-20: yn ei gwneud yn ofynnol i ddwysedd golau LED beidio â bod yn fwy na 10mW / cm ² i osgoi llosgiadau croen; Ar yr un pryd, nodir na fydd y gwall mesur yn fwy na ± 3% o fewn yr ystod o SpO ₂ 70% -100%.