應用傳感電子皮膚的PPG-ECG檢測系統設計

柔性可穿戴電子設備具有很多獨特優勢，例如，對皮膚的高貼合性、高數據提取精度和低運動偽影等，這些特性有助于滿足個性化健康監測應用的需求。隨著人類進入遠程和去中心化病患護理的新時代，可穿戴技術，尤其是貼合在皮膚上的電子產品，有望獲得從日常小工具轉向臨床實踐的巨大機遇。在各種生理信號中，心率（HR）、呼吸率（RR）和血壓（BP）等生命體征是心血管健康狀況的重要指標。此外，血氧飽和度（SpO2，定義為血液中氧飽和血紅蛋白相對于總血紅蛋白的比例），是檢測缺氧（人體內異常低氧水平）的重要指標。

柔性光電體積描記術（PPG）傳感器和脈搏血氧計通過集成柔性光電探測器和發光二極管而構建，能夠實時、無創地從血管的體積變化中提取脈搏信息。近紅外（NIR）波長的光可以深入皮膚，甚至探測皮下血容量的變化。紅色近紅外診斷窗口穩定的穿透深度，在不損害組織的情況下提高了SpO2的測量精度。目前，已有文獻報道的PPG大多基于硅基光電探測器，其對柔軟、潮濕且動態的皮膚的順應性存在一定的局限性。測量過程中皮膚活動導致的運動偽影進一步使算法復雜化，并限制了測量精度。

目前已有大量研究致力于開發窄帶隙有機半導體和簡便的溶液工藝，旨在開發具有可調節機械順應性和高性能的近紅外有機光電探測器（OPD）。窄帶隙n型分子半導體的開發已經展示了一種有效策略，可成為光電探測器中硅的潛在替代品。目前，對于具有超柔性配置且在近紅外波段具有與硅對應器件相當光響應性的OPD鮮有報道，它們在電子皮膚系統中的巨大潛力有待探索。

PPG提供的脈沖信號基于光電體積變化，而心電圖（ECG）信號作為測量心律和心率的金標準，則基于生物電提供脈搏相關信息。傳統的心電圖系統由于體積大、長期佩戴不便以及功能有限，很難成為日常佩戴檢測設備?？纱┐鱌PG和便攜式單導聯心電傳感組件的結合，可以提高脈搏信息的準確性和可靠性，并以用戶友好的方式實現家庭護理。通過對這兩組信號進行后處理，可以獲得包括血壓在內的更多健康指標。

盡管柔性ECG電極或PPG傳感器已經分別得到開發，但構建可靠的貼合皮膚的PPG-ECG集成系統仍然具有挑戰。首先，商用ECG電極，如Ag/AgCl凝膠電極或其它金屬基干電極，由于其體積龐大及機械失配，很難與柔性光電探測器穩定耦合。其次，單個傳感元件應具有高性能和長期工作穩定性。第三，與皮膚保持親密舒適的接觸，長期貼合不引起皮膚刺激仍是常見的挑戰。大多數皮膚貼合電子器件需要額外的粘合層來增強界面韌性，這提高了皮膚無法自由“呼吸”的風險。此外，由于皮膚分泌物導致的粘附松動和設備污染通常無法避免，這些會導致透光率和電氣性能的惡化。簡而言之，能夠精確監測光電和生物電信號的皮膚貼片需要高性能光電探測器和導電電極的組合，所有這些都需要安裝在柔軟的基底中直接與皮膚接觸，并且不會限制皮膚的運動或呼吸。

據麥姆斯咨詢介紹，清華大學深圳國際研究生院暨清華-伯克利深圳學院和中國科學院深圳先進技術研究院的聯合研究團隊在Advanced Science期刊上發表了一篇題為“Near-Infrared Organic Photodetectors toward Skin-Integrated Photoplethysmography-Electrocardiography Multimodal Sensing System”的論文，這項研究展示了一種柔軟緊湊的電子皮膚貼片，可以監測HR、RR、SpO2和BP等多種生命體征，同時表現出前所未有的機械順應性和皮膚兼容性。由此制得的柔性PPG傳感器在缺氧和灌注不足條件下表現出了高信噪比（SNR）和穩定的峰間振幅，優于商用指夾式脈搏血氧計，并且，能夠保證在動態工作條件下精確提取SpO2。

皮膚貼合的PPG-ECG檢測系統設計

紅色柱狀圖PPG信號源自該研究開發的超柔性PPG傳感器，藍色柱狀圖源自商用指夾式脈搏血氧計

皮膚貼合的PPG-ECG多模傳感系統

實驗表明，這項研究開發的皮膚貼合PPG-ECG集成系統在個性化醫療保健領域具有巨大應用潛力。研究人員開發了具有超柔性和長期穩定性的OPD，在近紅外光照下表現出高光響應性。這種OPD在940 nm（?1 V反向偏置）波長顯示出0.53 A/W的光響應性，在?3 dB顯示出超過1 MHz的截止響應頻率。在環境條件下長時間儲存1272小時后，光響應性仍能保持在初始值的90%以上。它們的散粒噪聲限制比探測率>1013 Jones，與對應的剛性硅器件相當?；贠PD的超柔性PPG具有更高的信噪比和峰間振幅，因此非常適合SpO2的精確測量，尤其是在動態和缺氧條件下。

此外，研究人員還展示了一種基于水凝膠的軟電極，其電導率>660 S/cm，在100 Hz下具有15 kΩ cm2的低皮膚接觸阻抗，能夠高質量地檢測電生理信號。其柔性PPG傳感模塊可以通過超薄水凝膠膜的界面耦合立即與生物電極和人體皮膚整合。這種皮膚兼容傳感平臺的厚度小于20 μm，可以重復應用或移除，而不會對電子組件造成任何顯著退化。研究人員首次展示了一種皮膚貼合的多模傳感系統，即使在動態工作條件下，也能夠精確穩定地測量各種生命體征，包括心率、呼吸頻率、無袖帶血壓以及動脈血氧飽和度。

審核編輯：黃飛

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