如何實現對人類PPG信號的實時監測

背景介紹

目前，將電子元件與智能醫療設備相結合的新技術解決方案，可以實時監測和分析人體重要生理信號，實現疾病預防和早期診斷。這一新興領域是由醫療機構的需求和醫療監測應用的增長所驅動的。隨著可穿戴光電技術的發展，光療、光電血壓計、氧飽和度探頭等產品已經實現商業化。這些新的可穿戴和可變形的電子設備，甚至可以與人體皮膚以非接觸模式操作，由于其功能化的傳感能力，被稱為“可穿戴電子設備”。光電體積脈搏波(PPG)是光電傳感領域中技術先進、性能穩定、操作方便的典型傳感方法。更具體地說，PPG裝置是基于照射在人體皮膚組織上的光源和探測器。通過捕獲人體血管和組織反射和吸收的衰減光，可以量化血管的脈動狀態和脈沖波。

由于可穿戴醫療電子設備可以被心血管疾病患者使用，在實現生理信號實時監測的同時，避免傷口感染和過敏反應至關重要。因此，PPG是無創和微創應用場景的合適選擇。但在日常生活中，人體處于不斷的運動狀態，導致設備信號采集的不穩定，尤其是皮膚和關節，兩者都具有一定的內在延展性和明顯的移動性。

一種有效的解決方案是將印刷或制造的光電器件轉移到柔性基板上，然后構建相應的機械保護結構，如3D互連封裝結構。通過這種方法，發光二極管和光電探測器可以應用于彎曲的表面，如手指關節和腹部。另一種解決這一問題的方法是利用柔韌材料的柔軟特性來設計柔性光電器件，使其在不規則的曲面上形成一定的彎曲或拉伸能力。由于其固有的機械穩定性，軟裝置能夠避免外力造成的損壞，而剛性裝置則不能。

本文亮點

1. 本工作展示了一種貼片型光電系統，該系統集成了柔性鈣鈦礦光電探測器和全無機發光二極管，以實現對人類PPG信號的實時監測。

2. 使用光電探測器可以提取和分析人體的脈搏率和手指關節的腫脹程度，從而監測人體健康狀況，以預防和早期診斷某些疾病。

3. 開發了一種3D褶皺蛇形互連線，提高了設備在實際應用中的形狀適應性。

圖文解析

圖1 器件基本應用場景原理圖、鈣鈦礦光電探測器工作原理圖和物理圖。(a)人體心腦血管循環系統工作原理及應用于人體皮膚表面的PPG信號傳感示意圖。(b)皮下組織PPG信號的基本曲線結構及不同部位的響應結構。(c) 10 s內讀取的PPG信號(波長650 nm)。(d)三維褶皺-蛇形互連結構激光共聚焦照片。標尺：200 μm。(e)不同拉伸應變下三維褶皺-蛇形互連結構的形態表征。標尺：100 μm。(f)三維起皺蛇形電互連電阻與外加拉伸應變的對應關系。(g)變PPG信號檢測膨脹示意圖。(h)柔性PPG信號傳感器詳細結構圖和物理原理圖(插圖：左：柔性鈣鈦礦光電探測器；右：紅色LED作為光源)。比例尺：0.5 cm。

圖2 MAPbI3材料基本性質的表征。(a)柔性鈣鈦礦光電探測器的基本結構。(b) PCBM(61)和鈣鈦礦活性層(MAPbI3)的化學結構。(c)掃描電鏡下MAPbI3材料的形貌表征。(d-e) MAPbI3和MAPbI3-PCBM(61)薄膜的XPS光譜。(f)一步溶液法制備的MAPbI3材料的XRD表征細節。(e) MAPbI3-PCBM(61)體異質結的能帶圖。(g)光源照射下光電材料有源區的載流子躍遷。(h)兩種材料的吸收光譜。(紅色：MAPbI3-PCBM(61)，粉紅色：MAPbI3) (i) MAPbI3和MAPbI3-PCBM(61)的常溫PL光譜。

圖3 柔性PPG傳感器的基本光電性能。(a-b)不同光功率密度(635 nm)下MAPbI3-PCBM(61)柔性光電探測器的I-V和I-T特性曲線。(c)光電探測器響應時間(光電流曲線上升沿和下降沿詳細圖)。(d)在2 mW/cm2功率照射下，柔性光電探測器在不同偏置電壓下的光電流響應。(e)不同光功率下器件的響應度。(插圖:不同光功率密度對應的光電值)。(f)鈣鈦礦光電探測器的響應曲線。(g)鈣鈦礦柔性光電探測器彎曲角度下的光電流曲線。(h)可變彎曲角度下柔性LED發光亮度曲線。

圖4 不同腫脹程度下手指的PPG信號。(a) PPG信號傳感器各種工作模式示意圖。(b)不同腫脹程度手指對應的PPG信號詳細波形。(c-d) 635 & 532 nm下不同腫脹程度手指對應的PPG信號基本波形(腫脹程度從左到右遞增)。(e)根據635 & 532 nm下的PPG信號計算血氧飽和度值。

審核編輯：彭菁