應(yīng)用傳感電子皮膚的PPG-ECG檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柔性可穿戴電子設(shè)備具有很多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，例如，對(duì)皮膚的高貼合性、高數(shù)據(jù)提取精度和低運(yùn)動(dòng)偽影等，這些特性有助于滿(mǎn)足個(gè)性化健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用的需求。隨著人類(lèi)進(jìn)入遠(yuǎn)程和去中心化病患護(hù)理的新時(shí)代，可穿戴技術(shù)，尤其是貼合在皮膚上的電子產(chǎn)品，有望獲得從日常小工具轉(zhuǎn)向臨床實(shí)踐的巨大機(jī)遇。在各種生理信號(hào)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(biāo)。此外，血氧飽和度（SpO2，定義為血液中氧飽和血紅蛋白相對(duì)于總血紅蛋白的比例），是檢測(cè)缺氧（人體內(nèi)異常低氧水平）的重要指標(biāo)。

柔性光電體積描記術(shù)（PPG）傳感器和脈搏血氧計(jì)通過(guò)集成柔性光電探測(cè)器和發(fā)光二極管而構(gòu)建，能夠?qū)崟r(shí)、無(wú)創(chuàng)地從血管的體積變化中提取脈搏信息。近紅外（NIR）波長(zhǎng)的光可以深入皮膚，甚至探測(cè)皮下血容量的變化。紅色近紅外診斷窗口穩(wěn)定的穿透深度，在不損害組織的情況下提高了SpO2的測(cè)量精度。目前，已有文獻(xiàn)報(bào)道的PPG大多基于硅基光電探測(cè)器，其對(duì)柔軟、潮濕且動(dòng)態(tài)的皮膚的順應(yīng)性存在一定的局限性。測(cè)量過(guò)程中皮膚活動(dòng)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)偽影進(jìn)一步使算法復(fù)雜化，并限制了測(cè)量精度。

目前已有大量研究致力于開(kāi)發(fā)窄帶隙有機(jī)半導(dǎo)體和簡(jiǎn)便的溶液工藝，旨在開(kāi)發(fā)具有可調(diào)節(jié)機(jī)械順應(yīng)性和高性能的近紅外有機(jī)光電探測(cè)器（OPD）。窄帶隙n型分子半導(dǎo)體的開(kāi)發(fā)已經(jīng)展示了一種有效策略，可成為光電探測(cè)器中硅的潛在替代品。目前，對(duì)于具有超柔性配置且在近紅外波段具有與硅對(duì)應(yīng)器件相當(dāng)光響應(yīng)性的OPD鮮有報(bào)道，它們?cè)陔娮悠つw系統(tǒng)中的巨大潛力有待探索。

PPG提供的脈沖信號(hào)基于光電體積變化，而心電圖（ECG）信號(hào)作為測(cè)量心律和心率的金標(biāo)準(zhǔn)，則基于生物電提供脈搏相關(guān)信息。傳統(tǒng)的心電圖系統(tǒng)由于體積大、長(zhǎng)期佩戴不便以及功能有限，很難成為日常佩戴檢測(cè)設(shè)備。可穿戴PPG和便攜式單導(dǎo)聯(lián)心電傳感組件的結(jié)合，可以提高脈搏信息的準(zhǔn)確性和可靠性，并以用戶(hù)友好的方式實(shí)現(xiàn)家庭護(hù)理。通過(guò)對(duì)這兩組信號(hào)進(jìn)行后處理，可以獲得包括血壓在內(nèi)的更多健康指標(biāo)。

盡管柔性ECG電極或PPG傳感器已經(jīng)分別得到開(kāi)發(fā)，但構(gòu)建可靠的貼合皮膚的PPG-ECG集成系統(tǒng)仍然具有挑戰(zhàn)。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(jī)械失配，很難與柔性光電探測(cè)器穩(wěn)定耦合。其次，單個(gè)傳感元件應(yīng)具有高性能和長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性。第三，與皮膚保持親密舒適的接觸，長(zhǎng)期貼合不引起皮膚刺激仍是常見(jiàn)的挑戰(zhàn)。大多數(shù)皮膚貼合電子器件需要額外的粘合層來(lái)增強(qiáng)界面韌性，這提高了皮膚無(wú)法自由“呼吸”的風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于皮膚分泌物導(dǎo)致的粘附松動(dòng)和設(shè)備污染通常無(wú)法避免，這些會(huì)導(dǎo)致透光率和電氣性能的惡化。簡(jiǎn)而言之，能夠精確監(jiān)測(cè)光電和生物電信號(hào)的皮膚貼片需要高性能光電探測(cè)器和導(dǎo)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(huì)限制皮膚的運(yùn)動(dòng)或呼吸。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院暨清華-伯克利深圳學(xué)院和中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在Advanced Science期刊上發(fā)表了一篇題為“Near-Infrared Organic Photodetectors toward Skin-Integrated Photoplethysmography-Electrocardiography Multimodal Sensing System”的論文，這項(xiàng)研究展示了一種柔軟緊湊的電子皮膚貼片，可以監(jiān)測(cè)HR、RR、SpO2和BP等多種生命體征，同時(shí)表現(xiàn)出前所未有的機(jī)械順應(yīng)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(xiàn)出了高信噪比（SNR）和穩(wěn)定的峰間振幅，優(yōu)于商用指夾式脈搏血氧計(jì)，并且，能夠保證在動(dòng)態(tài)工作條件下精確提取SpO2。

皮膚貼合的PPG-ECG檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅色柱狀圖PPG信號(hào)源自該研究開(kāi)發(fā)的超柔性PPG傳感器，藍(lán)色柱狀圖源自商用指夾式脈搏血氧計(jì)

皮膚貼合的PPG-ECG多模傳感系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)表明，這項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)的皮膚貼合PPG-ECG集成系統(tǒng)在個(gè)性化醫(yī)療保健領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。研究人員開(kāi)發(fā)了具有超柔性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的OPD，在近紅外光照下表現(xiàn)出高光響應(yīng)性。這種OPD在940 nm（?1 V反向偏置）波長(zhǎng)顯示出0.53 A/W的光響應(yīng)性，在?3 dB顯示出超過(guò)1 MHz的截止響應(yīng)頻率。在環(huán)境條件下長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存1272小時(shí)后，光響應(yīng)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(cè)率>1013 Jones，與對(duì)應(yīng)的剛性硅器件相當(dāng)。基于OPD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(cè)量，尤其是在動(dòng)態(tài)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(dǎo)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(zhì)量地檢測(cè)電生理信號(hào)。其柔性PPG傳感模塊可以通過(guò)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(tái)的厚度小于20 μm，可以重復(fù)應(yīng)用或移除，而不會(huì)對(duì)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(tǒng)，即使在動(dòng)態(tài)工作條件下，也能夠精確穩(wěn)定地測(cè)量各種生命體征，包括心率、呼吸頻率、無(wú)袖帶血壓以及動(dòng)脈血氧飽和度。

審核編輯：黃飛

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