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，這些特性有助于滿足個(gè)性化健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用的需求。隨著人類進(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發(fā)窄帶隙有機(jī)半導(dǎo)體和簡(jiǎn)便的溶液工藝，旨在開發(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?？纱┐鱌PG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，并以用戶友好的方式實(shí)現(xiàn)家庭護(hù)理。通過對(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增強(qiáng)界面韌性，這提高了皮膚無法自由“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)麥姆斯咨詢介紹，清華大學(xué)深圳國際研究生院暨清華-伯克利深圳學(xué)院和中國科學(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、無袖帶血壓以及動(dòng)脈血氧飽和度。

審核編輯：黃飛

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