中国科学院半导体所王丽丽研究员团队《AM》： 可扩展光电集成系统用于心血管疾病和肢体健康实时监测

光电容积脉搏波描记法（PPG）是一种重要的无创测量脉搏率、血压和血氧的方法，它利用光从活组织吸收并反射到光源所获得的衰减信号来实现对人体健康状况的实时监测。然而，由于硬件设备的限制，这种监测方法很难对处于活动中的人体进行PPG信号采集，尤其是关节部位。

近日，来自中国科学院半导体所的王丽丽研究员团队开发了一种贴片型的光电集成系统，基于三维褶皱蛇形线复合电极结构连接集成的柔性钙钛矿光电探测器和全无机发光二极管单元，用于活动人体的PPG信号采集。这种结构设计可以抑制电极互连线的外部损伤，提高整体器件的适形性，从而通过高性能的光发射和接收单元实现可靠的PPG信号实时监测（图1）。

图1：贴片型光电集成系统的工作原理、集成策略和应用场景。(a)人体心脑血管循环系统示意图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信号的基本信号曲线结构及不同部位的响应特征。(c) 器件10s内读取的PPG信号（波长650 nm）。(d) 三维褶皱-蛇形互连结构的激光共聚焦显微照片。(e) 不同拉伸应变下三维褶皱-蛇形互连结构的形态结构表征。(f) 三维褶皱蛇形电互连电阻与外加拉伸应变的对应关系。(g) PPG信号检测关节膨胀示意图。(h)柔性PPG信号传感器详细结构图和物理原理图。

该贴片式PPG光电集成系统不仅可以长期舒适、方便地佩戴在食指捕捉脉搏率、心率等心血管信号，还能利用不同厚度和不同肿胀程度的肌肉组织的吸收率差异，通过PPG信号来量化由手指关节炎症或创伤引起的肌肉肿胀的严重程度，实现手指肿胀程度的持续监测，为相关疾病的预防和早期诊断提供了独特的量化视角。

图2：MAPbI3-PCBM(61) 材料性能表征。(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) 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) 光照射下光电材料有源区的载流子跃迁。(h) 两种材料的PL吸收光谱。

在本工作中，通过溶液法制备基于MAPbI3-PCBM(61)光敏材料的柔性高性能光电探测器（图2）。PCBM的引入不仅减少了薄膜的晶粒尺寸，还与原始的MAPbI3材料组成异质结，有效地增加了载流子的注入，从而提高了器件的光电性能（图3）。

图3：柔性PPG传感器的基础光电性能。(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。(d)在2 mW/cm2光功率照射下，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。(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在不同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。

本研究通过限制手指关节的血液循环来建立实验所需的模型，得到不同程度肿胀的指尖。根据图4所示的分析计算机制和监测结果表明，监测到的PPG信号振幅随手指肿胀程度的变化而变化。通过读取信号的幅值和峰间时间间隔，可以同时提取出几种类型的信号，从而获得心血管健康状况和创伤或疾病引起的肢体肿胀。

图4：手指在不同肿胀程度下的PPG信号。(a) PPG信号传感器的各种工作模式示意图。(b) 不同肿胀程度手指对应的PPG信号变化。(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信号计算得到的血氧饱和度值。

该项目研究获得国家自然科学基金、中国科学院等项目的资助。

该研究论文以“Extensible Integrated System for Real-Time Monitoring of Cardiovascular Physiological Signals and Limb Health”为题发表于Advanced Materials 上。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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