脈搏血氧測量是一種無創傷的血氧合(SpO2)測量方法。這種測量基於PPG的技術。整合光學前端具有明顯的優勢，然而在弱光螢光應用中，需要確定光學前端的效能。
整合光學前端的優勢
(承前文)為PoC讀取器設計訊號鏈時，有兩種不同的架構選擇：完全離散解決方案或使用整合光學前端，如圖4所示。整合解決方案的優勢之一，是有助於簡化系統設計。同步螢光檢測與LED激發的問題被解決，因為已經透過光學前端內部處理。同時，整合光學前端提供了更緊湊的解決方案，電子元件更少。整合解決方案也降低了BOM和供應管理的複雜性，實現了更小的終端裝置，也能夠透過韌體調整關鍵配置參數
光電二極體PD、LED驅動器和光學濾鏡配置，在沒有開發新的硬體的情況下，離散解決方案無法實現可程式化。當產品開發人員試圖隨著時間的推移，調整平台以使用新的或修的分析方法時，這種類型的可配置性是至關重要的。由於病原體的新變異株和新的疾病經常被添加到測試功能表中，建立可以修改以適應新的分析方法的平臺，而不需要修改硬體，是非常有利的。
整合光學前端具有明顯的優勢，然而，仍需要留意元件在弱光螢光應用中確定光學前端的性能。比較整合光學前端之間的訊噪比(SNR)數字，並不能真正瞭解光學接收器的實際效能。由於光通量通常較低，因此光學前端的絕對背景雜訊是關鍵參數，而不是訊噪比。儘管1/f雜訊分量會限制均值方法對背景雜訊的改善程度，但還是可以基於螢光測量的時標採用均值方法降低背景雜訊。因此，絕對暗電流雜訊，特別是閃爍雜訊，是主導因素。包括PD在內的完整系統的暗電流雜訊，在許多整合光學前端的規格表中並沒有描述，必須單獨測量。
產品如ADI的整合光學前端如MAX86171，適合PoC螢光應用。類比訊號鏈路與數位控制器的整合，使實現光接收器的單個IC解決方案成為可能。MAX86171包含訊號調理光電二極體輸入、19位元電荷整合ADC、低雜訊LED驅動器和FIFO緩衝序列介面。
當元件具有高性能和低雜訊的特性，能夠助力建構高靈敏度的檢測系統。借助均值功能和低1/f雜訊的特性，面積為7.5 mm2的光電二極體構成的訊號鏈路的暗電流雜訊僅為11 pA rms，能夠可靠檢測1 pA至10 pA範圍內的低光電二極體電流，尤其適用於低光度的螢光應用。此外，該元件的PSRR和環境光抑制特性，能夠減輕系統工程師設計電源和機械外殼的負擔。
使用上述元件驅動LED通過多層中性密度(ND)光學濾波器，再經光電二極體接收以驗證性能。透過增大ND濾波器的密度，光學衰減可在40 dB(ND2)至140 dB(ND7)之間變化，由此模擬PCR或LAMP檢測過程中螢光含量減少的行為。當衰減低於140 dB時，該元件能夠可靠檢測高於背景暗電流的光電二極體電流，並且解析度好於10 pA。上述元件之所以具有如此高的靈敏度，是因為光電二極體連接至光學前端時的暗電流雜訊很低，僅為11 pA rms。
光學前端強化系統設計
光學前端是脈搏血氧測量這類體外診斷系統的重要元件。瞭解整合光學前端的特性和優點，有助於更好地選擇合適的元件進行系統設計。在快速發展的體外診斷、系統市場中，選擇合適的光學感測器格外重要。整合光學前端可以簡化系統設計，降低了BOM和供應管理的複雜性，同時實現了尺寸更小的終端裝置。
(本文作者任職於DigiKey)
光學前端量測血氧更精準 弱光檢測效能升級(2)
