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目前無(wú)創(chuàng)血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)的方式主要包括光電容積描記法 (PPG) 、近紅外光譜法 (NIRS) 等方式。光電傳感器在監(jiān)測(cè)具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兛梢栽谌粘；顒?dòng)中以可穿戴的形式測(cè)量血氧飽和度等重要的生理信號(hào)。但是目前的傳感器在尺寸上均為mm級(jí)，這大大限制了其使用場(chǎng)景。

本文提出了一種局部血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)用的傳感器，通過(guò)垂直堆疊兩個(gè)不同波長(zhǎng)的微型LED，在更緊湊的空間內(nèi)（μm級(jí)）為光電探測(cè)器提供更多共用的光路，從而能夠監(jiān)測(cè)特定目標(biāo)區(qū)域的血流動(dòng)力學(xué)。不同光極間距（從發(fā)光LED到接收PD）的設(shè)計(jì)也允許根據(jù)應(yīng)用在距離傳感器不同的感興趣深度進(jìn)行測(cè)量。

文章通過(guò)應(yīng)用傳感器監(jiān)測(cè)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并以表貼和插入的形式對(duì)人體和小鼠模型進(jìn)行缺氧誘導(dǎo)測(cè)試和光遺傳學(xué)刺激，證明了該方法的可行性，展示了其在包括神經(jīng)血管耦合研究在內(nèi)的廣泛生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的潛力。

圖1 多波長(zhǎng)垂直堆疊微型光電傳感器電路，可用于人體組織表貼式監(jiān)測(cè)和植入式監(jiān)測(cè)。

1.使用垂直堆疊方法制備多波長(zhǎng)Micro-LED

該設(shè)計(jì)使用了波長(zhǎng)為460nm的藍(lán)光和波長(zhǎng)為670nm的紅光，這兩個(gè)波段對(duì)血液中脫氧血紅蛋白和含氧血紅蛋白均有較大的吸收差異，可較好的分辨這兩種蛋白。

兩個(gè)LED的擺放方式不同于傳統(tǒng)的平行放置和對(duì)稱(chēng)放置，而是采取了垂直堆疊放置，俯視時(shí)就像一個(gè)LED，有效減少了電路尺寸。圖2-d、e顯示了傳感器的光學(xué)圖像，用于與米粒和人的頭發(fā)尺寸進(jìn)行比較。其中紅色 LED 厚度：4.1 µm，藍(lán)色 LED 厚度：5.0 µm，兩個(gè) LED 尺寸：250 × 300 µm2。

通過(guò)獨(dú)立調(diào)制 LED 的輸入電壓，使LED 產(chǎn)生不同的顏色。施加電流時(shí)多色 LED 的光譜特性見(jiàn)圖2-g~i。

圖2 垂直堆疊（V 型堆疊）多色微型 LED 搭配光電探測(cè)器 (PD)設(shè)計(jì)

2.垂直堆疊光電傳感器性能表征

作者首先對(duì)比了垂直堆疊方式與橫向并排方式、雙側(cè)對(duì)稱(chēng)放置方式的光子路徑區(qū)別。統(tǒng)計(jì)每種設(shè)計(jì)中紅光和藍(lán)光的光子通常通過(guò)的體素?cái)?shù)量，V 型堆疊設(shè)計(jì)比橫向并排放置多 24%，比雙側(cè)對(duì)稱(chēng)放置設(shè)計(jì)多 127%。

其次作者研究了紅色和藍(lán)色 LED 的電流-電壓特性，正向電壓，以及在半徑為5mm的重復(fù)機(jī)械彎曲循環(huán)（頻率：0.1Hz）下光電探測(cè)器的短路電流密度和填充因子。

圖3 V 型堆疊血流動(dòng)力學(xué)傳感器的光學(xué)、電氣和機(jī)械特性

3.穿戴式人體脈搏波與脈搏血氧監(jiān)測(cè)應(yīng)用

研究人員還探索了一項(xiàng)極具吸引力的臨床應(yīng)用：穿戴式脈搏波與脈搏血氧監(jiān)測(cè)。

V 型堆疊血流動(dòng)力學(xué)傳感器采用軟彈性體（PDMS）封裝，可附著于皮膚，隨后貼在人體手指上，受試者同時(shí)連接商用心電圖 (ECG) 以供比較。

圖3-d、e顯示了 V 型堆疊傳感器測(cè)得的光電容積描記法 (PPG) 信號(hào)，包括紅光和藍(lán)光兩個(gè)波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)。計(jì)算得到的心率與來(lái)自 ECG 傳感器的心率完全匹配。

此外，作者進(jìn)一步做了降氧誘導(dǎo)試驗(yàn)，以觀察并驗(yàn)證在脈搏血氧飽和度下降過(guò)程中，V型堆疊傳感器測(cè)量的血氧飽和度與商用的血氧飽和度傳感器的一致性。

實(shí)驗(yàn)裝置包括：兩個(gè)不同氧氣濃度的氣體袋（袋子1：氧氣濃度21%，袋子2：氧氣濃度10%）?？刂剖茉囌叩奈胙鯘舛仍?50 秒內(nèi)從21%降低到10%，V 型堆疊傳感器（紅線）的氧飽和度下降，與商用傳感器（黑線）的測(cè)量值相匹配。

圖4 V 型堆疊血流動(dòng)力學(xué)傳感器的人體降氧測(cè)試

血氧飽和度的計(jì)算中一般存在R曲線的標(biāo)定環(huán)節(jié)，作者設(shè)計(jì)的試驗(yàn)人數(shù)較少，并且沒(méi)有標(biāo)定過(guò)程，因此試驗(yàn)中的血氧飽和度下降曲線并無(wú)實(shí)際意義，若能增加試驗(yàn)人群做曲線標(biāo)定，則可以進(jìn)一步揭示該傳感器用于無(wú)創(chuàng)血氧監(jiān)測(cè)的應(yīng)用潛力。

另外，460nm波長(zhǎng)的藍(lán)光對(duì)于血液中含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的吸收系數(shù)雖然差異性大，但是吸收系數(shù)整體偏大，幾乎是紅光的數(shù)十倍，使得該波長(zhǎng)的光線進(jìn)入組織和血液后，大部分都被人體吸收，傳感器檢測(cè)到的反射信號(hào)非常微弱，不利于信噪分離，要想獲得較高的信號(hào)質(zhì)量，則需要增加藍(lán)光的驅(qū)動(dòng)電壓從而增加系統(tǒng)功耗。如果采用900nm以上的紅外光，或許結(jié)果會(huì)更加穩(wěn)定。

4.插入式活體血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)

除了表貼式的監(jiān)測(cè)，作者還研究了該傳感器在插入活體時(shí)對(duì)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)監(jiān)測(cè)的能力。他們搭建了動(dòng)物模型和氧艙。 V型堆疊傳感器置于股動(dòng)脈周?chē)?，同時(shí)貼了商用ECG傳感器加以作比較。

V型堆疊傳感器計(jì)算得到的心率與ECG傳感器的結(jié)果相匹配。

在動(dòng)物氧艙中測(cè)量動(dòng)物模型的組織氧飽和度，對(duì)動(dòng)物模型使用可插入的V-stack血流動(dòng)力學(xué)傳感器進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果。測(cè)得的氧飽和度（StO2，紅線）在吸入氧氣濃度（FiO2，黑線）從21%降至10%時(shí)下降，時(shí)間約為100秒。當(dāng)吸入氧氣濃度恢復(fù)到22.5%時(shí)，氧飽和度也隨之恢復(fù)。

值得注意的是，該傳感器在進(jìn)行插入式血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)時(shí)使用了PDMS進(jìn)行外封裝，在不影響光信號(hào)傳輸?shù)那疤嵯聦?shí)現(xiàn)了生物相容性，這增加了其醫(yī)療應(yīng)用的可能性。

5.總結(jié)

本文中的驗(yàn)證試驗(yàn)雖然處于科研階段，但是該傳感器其兼具柔性和微尺寸的封裝結(jié)構(gòu)和良好的測(cè)試性能展示了其廣闊的發(fā)展前景。特別是在可穿戴設(shè)備中集成血氧飽和度及心率的無(wú)感監(jiān)測(cè)，使得其在微創(chuàng)表面（如皮瓣移植術(shù)后監(jiān)測(cè)）進(jìn)行工作的可能性大大增加；此外還可以在顱內(nèi)、大臟器進(jìn)行插入式血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)。如果該傳感器制備工藝和成本得到有效控制，其在消費(fèi)醫(yī)療領(lǐng)域也存在較大的應(yīng)用空間。