如何实现对人类PPG信号的实时监测

背景介绍

目前，将电子元件与智能医疗设备相结合的新技术解决方案，可以实时监测和分析人体重要生理信号，实现疾病预防和早期诊断。这一新兴领域是由医疗机构的需求和医疗监测应用的增长所驱动的。随着可穿戴光电技术的发展，光疗、光电血压计、氧饱和度探头等产品已经实现商业化。这些新的可穿戴和可变形的电子设备，甚至可以与人体皮肤以非接触模式操作，由于其功能化的传感能力，被称为“可穿戴电子设备”。光电体积脉搏波(PPG)是光电传感领域中技术先进、性能稳定、操作方便的典型传感方法。更具体地说，PPG装置是基于照射在人体皮肤组织上的光源和探测器。通过捕获人体血管和组织反射和吸收的衰减光，可以量化血管的脉动状态和脉冲波。

由于可穿戴医疗电子设备可以被心血管疾病患者使用，在实现生理信号实时监测的同时，避免伤口感染和过敏反应至关重要。因此，PPG是无创和微创应用场景的合适选择。但在日常生活中，人体处于不断的运动状态，导致设备信号采集的不稳定，尤其是皮肤和关节，两者都具有一定的内在延展性和明显的移动性。

一种有效的解决方案是将印刷或制造的光电器件转移到柔性基板上，然后构建相应的机械保护结构，如3D互连封装结构。通过这种方法，发光二极管和光电探测器可以应用于弯曲的表面，如手指关节和腹部。另一种解决这一问题的方法是利用柔韧材料的柔软特性来设计柔性光电器件，使其在不规则的曲面上形成一定的弯曲或拉伸能力。由于其固有的机械稳定性，软装置能够避免外力造成的损坏，而刚性装置则不能。

本文亮点

1. 本工作展示了一种贴片型光电系统，该系统集成了柔性钙钛矿光电探测器和全无机发光二极管，以实现对人类PPG信号的实时监测。

2. 使用光电探测器可以提取和分析人体的脉搏率和手指关节的肿胀程度，从而监测人体健康状况，以预防和早期诊断某些疾病。

3. 开发了一种3D褶皱蛇形互连线，提高了设备在实际应用中的形状适应性。

图文解析

图1 器件基本应用场景原理图、钙钛矿光电探测器工作原理图和物理图。(a)人体心脑血管循环系统工作原理及应用于人体皮肤表面的PPG信号传感示意图。(b)皮下组织PPG信号的基本曲线结构及不同部位的响应结构。(c) 10 s内读取的PPG信号(波长650 nm)。(d)三维褶皱-蛇形互连结构激光共聚焦照片。标尺：200 μm。(e)不同拉伸应变下三维褶皱-蛇形互连结构的形态表征。标尺：100 μm。(f)三维起皱蛇形电互连电阻与外加拉伸应变的对应关系。(g)变PPG信号检测膨胀示意图。(h)柔性PPG信号传感器详细结构图和物理原理图(插图：左：柔性钙钛矿光电探测器；右：红色LED作为光源)。比例尺：0.5 cm。

图2 MAPbI3材料基本性质的表征。(a)柔性钙钛矿光电探测器的基本结构。(b) PCBM(61)和钙钛矿活性层(MAPbI3)的化学结构。(c)扫描电镜下MAPbI3材料的形貌表征。(d-e) MAPbI3和MAPbI3-PCBM(61)薄膜的XPS光谱。(f)一步溶液法制备的MAPbI3材料的XRD表征细节。(e) MAPbI3-PCBM(61)体异质结的能带图。(g)光源照射下光电材料有源区的载流子跃迁。(h)两种材料的吸收光谱。(红色：MAPbI3-PCBM(61)，粉红色：MAPbI3) (i) MAPbI3和MAPbI3-PCBM(61)的常温PL光谱。

图3 柔性PPG传感器的基本光电性能。(a-b)不同光功率密度(635 nm)下MAPbI3-PCBM(61)柔性光电探测器的I-V和I-T特性曲线。(c)光电探测器响应时间(光电流曲线上升沿和下降沿详细图)。(d)在2 mW/cm2功率照射下，柔性光电探测器在不同偏置电压下的光电流响应。(e)不同光功率下器件的响应度。(插图:不同光功率密度对应的光电值)。(f)钙钛矿光电探测器的响应曲线。(g)钙钛矿柔性光电探测器弯曲角度下的光电流曲线。(h)可变弯曲角度下柔性LED发光亮度曲线。

图4 不同肿胀程度下手指的PPG信号。(a) PPG信号传感器各种工作模式示意图。(b)不同肿胀程度手指对应的PPG信号详细波形。(c-d) 635 & 532 nm下不同肿胀程度手指对应的PPG信号基本波形(肿胀程度从左到右递增)。(e)根据635 & 532 nm下的PPG信号计算血氧饱和度值。