¿Cuál es la aplicación de los diodos en los equipos de control de glucosa en sangre?

1. La esencia técnica de los fotodiodos: conversión precisa de señales ópticas a señales eléctricas.
La función principal de un fotodiodo es convertir señales ópticas en señales eléctricas mediante el efecto fotoeléctrico de una unión PN. Cuando se irradia luz de una longitud de onda específica sobre la unión PN, la energía del fotón excita a los electrones de la banda de valencia para que hagan la transición a la banda de conducción, formando pares de huecos de electrones (portadores fotogenerados). Bajo la acción de polarización inversa, el movimiento direccional de los portadores de carga genera fotocorriente y su intensidad está relacionada linealmente con la potencia de la luz incidente. Este proceso involucra tres parámetros clave:

Eficiencia cuántica: determina directamente la eficiencia de conversión fotoeléctrica. Por ejemplo, los fotodiodos de InGaAs pueden alcanzar una eficiencia cuántica de más del 90% en una longitud de onda de 1310 nm, lo que mejora significativamente las capacidades de detección de luz débil.
Tiempo de respuesta: determina la velocidad a la que el dispositivo capta los cambios en la concentración de glucosa en sangre. Los fotodiodos de tipo PIN acortan el tiempo de tránsito del portador al nivel de picosegundos al optimizar el espesor de la capa intrínseca, cumpliendo con los requisitos de monitoreo en tiempo real-.
Corriente oscura: afecta la precisión de la detección de concentraciones bajas. El fotodiodo PIN InGaAs de 0,3 mm de corriente oscura baja desarrollado por Beijing Minguang Technology tiene una corriente oscura de menos de 0,1 nA y funciona bien en la detección de señales de luz débiles.
Tomando como ejemplo el detector de glucosa en sangre no-invasivo, utiliza diodos láser de longitud de onda dual de 1310 nm y 1550 nm para irradiar la piel, y la matriz de fotodiodos recibe la señal de luz de reflexión difusa. Al medir las diferencias de absorción de la luz en diferentes longitudes de onda y combinarlas con el algoritmo de regresión de mínimos cuadrados parciales (PLSR), se puede eliminar la influencia de sustancias que interfieren como el agua y las proteínas, logrando un cálculo preciso de la concentración de glucosa en sangre.

2, Monitorización no invasiva de la glucemia: una revolución tecnológica impulsada por diodos
El control tradicional de la glucosa en sangre requiere perforar la piel para extraer sangre, lo que supone un riesgo de infección y no puede controlarse continuamente. El avance de la tecnología de diodos hace posible la monitorización no-invasiva y sus principios básicos incluyen:

Método de absorción por espectroscopía de infrarrojo cercano: la glucosa tiene picos de absorción característicos en el rango de longitud de onda de 750-1850 nm. Al emitir luz de longitud de onda específica a través de diodos láser DFB, los fotodiodos detectan la intensidad de absorción de glucosa en el líquido tisular. Por ejemplo, el láser DFB de 1550 nm producido por Sichuan Tengguang tiene un módulo de control de temperatura TEC integrado-, con una estabilidad de potencia mejor que ± 0,5 %, lo que garantiza una confiabilidad de monitoreo a largo plazo.
Método de efecto fotoacústico: cuando el láser irradia la piel, la glucosa absorbe la energía de la luz para generar ondas de ultrasonido. Después de que el sensor ultrasónico captura la señal, el fotodiodo convierte el cambio en la intensidad de la luz en una señal eléctrica. El dispositivo portátil desarrollado por la Universidad de Tsinghua adopta una matriz de diodos láser de tres longitudes de onda y procesa tres conjuntos de datos mediante fusión DSP, con una precisión de detección de ± 10 mg/dL.
Método de detección de rotación óptica: utilizando las características de rotación óptica de la glucosa, la concentración se calcula midiendo el ángulo de desviación de la luz transmitida. Los diodos emisores de luz-orgánicos (OLED) como fuentes de luz, combinados con conjuntos de fotodiodos, pueden lograr una detección sin-contacto y son adecuados para la monitorización dinámica de la glucosa en sangre.

3. Detección de fusión de múltiples longitudes de onda: una tecnología clave para mejorar la capacidad anti-interferencia
La composición del tejido humano es compleja y las características de absorción de luz de sustancias como el agua, las proteínas y las grasas son similares a las de la glucosa, lo que puede provocar fácilmente interferencias cruzadas. La detección de fusión de múltiples longitudes de onda mejora la precisión mediante las siguientes estrategias:

Optimización de la selección de longitud de onda: los experimentos han demostrado que la combinación de longitudes de onda de 750 nm, 980 nm y 1310 nm puede cubrir el pico de absorción principal de la glucosa evitando al mismo tiempo la región de fuerte absorción del agua (1450 nm). Por ejemplo, cierto modelo de medidor de glucosa en sangre adopta un diseño de longitud de onda dual de 750 nm y 980 nm y elimina la interferencia de fondo mediante un algoritmo diferencial, con un error de detección de menos del 15 %.
Tecnología de sintonización dinámica: al controlar la corriente del diodo láser para sintonizarla dentro de un rango de 15 nm, se logra la captura en tiempo real-de los cambios en los picos de absorción de glucosa. El sistema de simulación física muestra que el ajuste dinámico puede aumentar la sensibilidad de detección en un 40%.
Modelado quimiométrico: combinando algoritmos de regresión de mínimos cuadrados parciales (PLSR) o de máquina de vectores de soporte (SVM), establezca un modelo no lineal de intensidad de absorción de luz y concentración de glucosa en sangre. Los datos clínicos muestran que el coeficiente de correlación predictiva (R ²) del modelo de fusión de tres longitudes de onda es 0,92, significativamente mejor que el del modelo de longitud de onda única (R ²=0.78).

4, diseño antiinterferencias: ingeniería de sistemas para garantizar la confiabilidad clínica
Los equipos de monitorización de glucosa en sangre deben hacer frente a múltiples desafíos, como la luz ambiental, las interferencias electromagnéticas y el ruido del dispositivo. El diseño antiinterferencias debe optimizarse tanto a nivel de hardware como de algoritmo.

Diseño de hardware:
Filtrado óptico: instale un filtro de banda estrecha delante del fotodiodo para suprimir la interferencia de la luz de longitud de onda no objetivo. Por ejemplo, el ancho de banda de un filtro de 1310 nm se puede controlar dentro de ± 10 nm y la transmitancia es superior al 90%.
Blindaje electromagnético: se utiliza una carcasa metálica para encapsular los fotodiodos, lo que reduce la interferencia de frecuencia eléctrica de 50 Hz. Los experimentos han demostrado que el diseño del blindaje puede mejorar la relación señal-a{3}}ruido (SNR) en 20 dB.
Amplificación de bajo ruido: se utiliza un amplificador operacional de entrada JFET para construir un circuito de amplificación de transimpedancia, reduciendo la densidad de voltaje del ruido de entrada a 0,5 nV/√ Hz. Por ejemplo, el ruido total del circuito de un determinado modelo de medidor de glucosa en sangre es inferior a 0,3 mV, lo que cumple con el requisito de conversión AD de 12 bits.
Optimización del algoritmo:
Eliminación de ruido de wavelets: descomponga la señal de fotocorriente utilizando la base de wavelets db4 para filtrar el ruido de alta-frecuencia. Las pruebas clínicas han demostrado que la eliminación de ruido de ondas puede mejorar la suavidad de la señal en un 35%.
Filtrado adaptativo: uso del algoritmo LMS para ajustar dinámicamente los coeficientes del filtro y suprimir las fluctuaciones de la luz ambiental en tiempo real. Por ejemplo, bajo una luz de fondo de 1000 lux, el filtrado adaptativo puede reducir el error de detección en un 50 %.
Compensación de temperatura: controle la temperatura de la unión del fotodiodo a través de un termistor y corrija la deriva de corriente oscura utilizando un método de tabla de búsqueda. Los experimentos han demostrado que la compensación de temperatura puede estabilizar el error de detección dentro del rango de 25 grados a 40 grados dentro de ± 8 mg/dL.