用于PPG-ECG多模传感电子皮肤的近红外有机光电探测器
2023-11-26 23:08:00 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员开发了具有超柔性和长期稳定性的OPD，在近红外光照下表现出高光响应性。研究人员展示了一种皮肤贴合的多模传感系统，能够精确稳定地测量各种生命体征，包括心率、呼吸频率、无袖带血压以及动脉血氧饱和度。
柔性可穿戴电子设备具有很多独特优势，例如，对皮肤的高贴合性、高数据提取精度和低运动伪影等，这些特性有助于满足个性化健康监测应用的需求。随着人类进入远程和去中心化病患护理的新时代，可穿戴技术，尤其是贴合在皮肤上的电子产品，有望获得从日常小工具转向临床实践的巨大机遇。在各种生理信号中，心率（HR）、呼吸率（RR）和血压（BP）等生命体征是心血管健康状况的重要指标。此外，血氧饱和度（SpO2，定义为血液中氧饱和血红蛋白相对于总血红蛋白的比例），是检测缺氧（人体内异常低氧水平）的重要指标。
柔性光电体积描记术（PPG）传感器和脉搏血氧计通过集成柔性光电探测器和发光二极管而构建，能够实时、无创地从血管的体积变化中提取脉搏信息。近红外（NIR）波长的光可以深入皮肤，甚至探测皮下血容量的变化。红色近红外诊断窗口稳定的穿透深度，在不损害组织的情况下提高了SpO2的测量精度。目前，已有文献报道的PPG大多基于硅基光电探测器，其对柔软、潮湿且动态的皮肤的顺应性存在一定的局限性。测量过程中皮肤活动导致的运动伪影进一步使算法复杂化，并限制了测量精度。
目前已有大量研究致力于开发窄带隙有机半导体和简便的溶液工艺，旨在开发具有可调节机械顺应性和高性能的近红外有机光电探测器（OPD）。窄带隙n型分子半导体的开发已经展示了一种有效策略，可成为光电探测器中硅的潜在替代品。目前，对于具有超柔性配置且在近红外波段具有与硅对应器件相当光响应性的OPD鲜有报道，它们在电子皮肤系统中的巨大潜力有待探索。
PPG提供的脉冲信号基于光电体积变化，而心电图（ECG）信号作为测量心律和心率的金标准，则基于生物电提供脉搏相关信息。传统的心电图系统由于体积大、长期佩戴不便以及功能有限，很难成为日常佩戴检测设备。可穿戴PPG和便携式单导联心电传感组件的结合，可以提高脉搏信息的准确性和可靠性，并以用户友好的方式实现家庭护理。通过对这两组信号进行后处理，可以获得包括血压在内的更多健康指标。
尽管柔性ECG电极或PPG传感器已经分别得到开发，但构建可靠的贴合皮肤的PPG-ECG集成系统仍然具有挑战。首先，商用ECG电极，如Ag/AgCl凝胶电极或其它金属基干电极，由于其体积庞大及机械失配，很难与柔性光电探测器稳定耦合。其次，单个传感元件应具有高性能和长期工作稳定性。第三，与皮肤保持亲密舒适的接触，长期贴合不引起皮肤刺激仍是常见的挑战。大多数皮肤贴合电子器件需要额外的粘合层来增强界面韧性，这提高了皮肤无法自由“呼吸”的风险。此外，由于皮肤分泌物导致的粘附松动和设备污染通常无法避免，这些会导致透光率和电气性能的恶化。简而言之，能够精确监测光电和生物电信号的皮肤贴片需要高性能光电探测器和导电电极的组合，所有这些都需要安装在柔软的基底中直接与皮肤接触，并且不会限制皮肤的运动或呼吸。
据麦姆斯咨询介绍，清华大学深圳国际研究生院暨清华-伯克利深圳学院和中国科学院深圳先进技术研究院的联合研究团队在Advanced Science期刊上发表了一篇题为“Near-Infrared Organic Photodetectors toward Skin-Integrated Photoplethysmography-Electrocardiography Multimodal Sensing System”的论文，这项研究展示了一种柔软紧凑的电子皮肤贴片，可以监测HR、RR、SpO2和BP等多种生命体征，同时表现出前所未有的机械顺应性和皮肤兼容性。由此制得的柔性PPG传感器在缺氧和灌注不足条件下表现出了高信噪比（SNR）和稳定的峰间振幅，优于商用指夹式脉搏血氧计，并且，能够保证在动态工作条件下精确提取SpO2。
皮肤贴合的PPG-ECG检测系统设计
红色柱状图PPG信号源自该研究开发的超柔性PPG传感器，蓝色柱状图源自商用指夹式脉搏血氧计
皮肤贴合的PPG-ECG多模传感系统
实验表明，这项研究开发的皮肤贴合PPG-ECG集成系统在个性化医疗保健领域具有巨大应用潜力。研究人员开发了具有超柔性和长期稳定性的OPD，在近红外光照下表现出高光响应性。这种OPD在940 nm（−1 V反向偏置）波长显示出0.53 A/W的光响应性，在−3 dB显示出超过1 MHz的截止响应频率。在环境条件下长时间储存1272小时后，光响应性仍能保持在初始值的90%以上。它们的散粒噪声限制比探测率>10¹³ Jones，与对应的刚性硅器件相当。基于OPD的超柔性PPG具有更高的信噪比和峰间振幅，因此非常适合SpO2的精确测量，尤其是在动态和缺氧条件下。
此外，研究人员还展示了一种基于水凝胶的软电极，其电导率>660 S/cm，在100 Hz下具有15 kΩ cm²的低皮肤接触阻抗，能够高质量地检测电生理信号。其柔性PPG传感模块可以通过超薄水凝胶膜的界面耦合立即与生物电极和人体皮肤整合。这种皮肤兼容传感平台的厚度小于20 µm，可以重复应用或移除，而不会对电子组件造成任何显著退化。研究人员首次展示了一种皮肤贴合的多模传感系统，即使在动态工作条件下，也能够精确稳定地测量各种生命体征，包括心率、呼吸频率、无袖带血压以及动脉血氧饱和度。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202304174
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