可穿戴醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域OLED將大放異彩

OLEDs被認(rèn)為特別適合可穿戴設(shè)備或人體可接觸設(shè)備，其可低溫加工在各種柔性襯底上，如塑料，這對(duì)實(shí)現(xiàn)輕如鵝毛、靈活、可拉伸和物體共形的光源方面很有用。事實(shí)上，智能手表類可穿戴設(shè)備所采用的顯示設(shè)備大多采用塑料有源矩陣OLED，因?yàn)槠漭p巧、輕薄的外形因素?？纱┐髟O(shè)備中的OLEDs應(yīng)用并不局限于智能手表的顯示屏。事實(shí)上，OLEDs在移動(dòng)醫(yī)療領(lǐng)域也可以發(fā)揮重要作用，其可穿戴設(shè)備的形式尤其受到歡迎。例如，健康監(jiān)測(cè)傳感器測(cè)量重要的人體信號(hào)，如心跳和血氧水平，以及用于高級(jí)傷口護(hù)理或皮膚護(hù)理的光貼片，如圖1所示。這里我們將回顧這些OLED在可穿戴醫(yī)療保健應(yīng)用中進(jìn)來研究的亮點(diǎn)和關(guān)鍵問題。

圖1 OLEDs在可穿戴醫(yī)療中的潛在應(yīng)用

用于可穿戴脈搏血氧測(cè)量傳感器的OLEDs

心血管循環(huán)是維持生命最重要的生物活動(dòng)。因此，以適當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)其進(jìn)行監(jiān)控是很重要的。在許多情況下，對(duì)這些活動(dòng)的測(cè)量?jī)H限于醫(yī)院內(nèi)的護(hù)理，但它正迅速擴(kuò)展到移動(dòng)或個(gè)人衛(wèi)生保健領(lǐng)域。特別是，可穿戴電子設(shè)備的進(jìn)步使得從健康跟蹤到嬰兒、慢性病患者或術(shù)后出院患者的生物信號(hào)監(jiān)測(cè)等日常活動(dòng)的測(cè)量成為可能。在心血管監(jiān)測(cè)方法中，光體積描記法（PPG）信號(hào)和血氧飽和度（SpO2）水平是通過使用發(fā)光器件和光檢測(cè)器，進(jìn)行無創(chuàng)光測(cè)量的。由于有機(jī)技術(shù)與可穿戴或人體可附著的形式因子具有良好的兼容性，因此很自然地認(rèn)為有機(jī)發(fā)光二極管（OLEDs）和有機(jī)光電二極管（OPDs）可以作為可穿戴式PPG和/或SpO2傳感器的光源和檢測(cè)器。目前一些研究小組已經(jīng)證明OLED技術(shù)是一種可行的、有前途的可穿戴健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。

PPG和SpO2信號(hào)檢測(cè)原理

PPG傳感器中的信號(hào)是根據(jù)心血管循環(huán)引起的血管體積變化而調(diào)節(jié)的光子吸收（圖2a）。一般來說，根據(jù)光源和光電探測(cè)器之間的配置，PPG傳感器可分為透射型（T型）和反射型（R型）。在T型中，光源和光電探測(cè)器位于感興趣的物體上（如手指、耳垂等）。另一方面，在R型PPG傳感器中，光源和光電探測(cè)器并排放置。R型PPG傳感器常用于智能手表或腕帶，因?yàn)榇蠖鄶?shù)身體部位（如手腕）太厚，無法使用T型PPG傳感器（見圖2b）。

圖2

SpO2是指血液中含氧血紅蛋白（HbO2）與非含氧血紅蛋白（Hb）總量的比值。通過校準(zhǔn)過程，可以通過比較HbO2和Hb在兩個(gè)不同波長(zhǎng)的吸收差來估計(jì)。因此，SpO2傳感器由兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光源和一個(gè)共享的光電探測(cè)器組成，兩個(gè)光源交替開啟。由于它本質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)PPG傳感器，除了存在兩個(gè)不同的光源，SpO2傳感器還可以提供PPG信號(hào)。因此，SpO2傳感器也被稱為“脈搏血氧計(jì)”或“脈搏血氧測(cè)量傳感器”。

有機(jī)脈搏測(cè)氧傳感器

基于可穿戴設(shè)備所必需的柔性薄膜實(shí)現(xiàn)的有機(jī)技術(shù)的固有優(yōu)勢(shì)，一些研究小組致力于開發(fā)有機(jī)PPG或脈沖血氧測(cè)量傳感器，以取代基于Si和III-V復(fù)合半導(dǎo)體的分立元件。如圖3a所示的基于共軛聚合物的OLED和OPD集成在一起的PPG傳感器。進(jìn)一步研究證明了溶液處理的綠色和紅色有機(jī)發(fā)光二極管與聚合物的結(jié)合OPDs，可以測(cè)量SpO2值以及PPG信號(hào)（圖3b）。與使用紅色和近紅外（NIR） led的商業(yè)脈搏血氧儀不同，綠色和紅色光源在他們的研究中被使用，因?yàn)榕c可見光譜范圍內(nèi)的光源相比，NIR OLEDs仍處于起步階段。在此之后，有人提出了一個(gè)系統(tǒng)，其中包含一個(gè)有機(jī)脈搏血氧測(cè)量（OPO）傳感器頭、一個(gè)定制設(shè)計(jì)的CMOS IC芯片和一個(gè)紐扣式電池（圖3c）。貼片是基于5.5cm×2.5cm的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯薄膜。它有小分子oled與綠色和紅色磷光發(fā)射器，以有效運(yùn)作?；谛》肿庸不祗w積異質(zhì)結(jié)，OPD被放置在與OLEDs相鄰的中間位置進(jìn)行T型操作。EQE高達(dá)20%和響應(yīng)率與Si的光敏二極管（PDs）、動(dòng)脈血氧飽和度相對(duì)較低的驅(qū)動(dòng)電流的數(shù)據(jù)是可衡量的240μA綠色OLED和300μA紅色OLED。之后通過應(yīng)用超薄包裝技術(shù)進(jìn)一步提高了OPO傳感器在可穿戴設(shè)備上的潛力，從而產(chǎn)生了重量輕、高度適形、幾乎難以察覺的脈搏血氧計(jì)。以聚酰亞胺平面化的對(duì)二甲苯薄膜為襯底，采用對(duì)二甲苯與錫安交替二位的多層阻擋層進(jìn)行鈍化（圖3d）。制備的OPO傳感器總厚度3μm。此外，最近展示的基于打印的OPO傳感器制造的進(jìn)展，說明了OPO的潛力低成本實(shí)現(xiàn)的OPO技術(shù)。在這項(xiàng)工作中，兩個(gè)不同的功能材料在一個(gè)步驟中同時(shí)打印。他們利用自組裝單層膜（SAMs）的疏水性來區(qū)分將要形成圖案的表面和沒有形成圖案的表面。O2等離子體用于空間選擇性地定義SAMs。如圖3e所示，通過所提出的葉片涂層工藝，同時(shí)形成了電子阻擋層PEDOT:PSS和各發(fā)射層。因此，綠色和紅色聚合物發(fā)光二極管（PLEDs）同時(shí)實(shí)現(xiàn)。他們?cè)诰G色和紅色的褶旁放置了一個(gè)硅基PD，得到了一個(gè)R型脈搏血氧儀，顯示可以從手背提取PPG信號(hào)和SpO2值（見圖3e）。

圖3

OPO傳感器的早期研究主要集中在有機(jī)技術(shù)的形式因素或工藝優(yōu)勢(shì)的展示上;然而，這些傳感器是用于可穿戴設(shè)備的，其中電池容量相當(dāng)小。這可能會(huì)限制OPO技術(shù)的實(shí)際部署，因?yàn)槿绻軌驅(qū)崿F(xiàn)全天連續(xù)監(jiān)測(cè)，可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備的好處將會(huì)最大化。在工作中因此，我們重新審視了R型脈搏血氧計(jì)的總體設(shè)計(jì)。我們用最大限度地利用來自光源的光子來代替它們典型的并排布局。在考慮吸收和散射的情況下，對(duì)波長(zhǎng)依賴性光在人體皮膚內(nèi)的傳播進(jìn)行了光學(xué)分析（圖4a）。在有機(jī)模式形成的自由度，然后用來確定傳感器布局優(yōu)化的脈搏血氧測(cè)量傳感器，使浪費(fèi)的光子的數(shù)量可以最小化，同時(shí)仍然滿足大小約束和信噪比（信噪比）的要求。如圖4b所示，OPD的形狀像一個(gè)數(shù)字字符“8”，環(huán)繞著紅色和綠色的圓形oled，R型OPO傳感器的驅(qū)動(dòng)功率低至幾十微瓦。與市面上的r型脈搏血氧計(jì)相比，這是一個(gè)數(shù)量級(jí)的降低（圖4c）。

圖4

這種傳感器效率提高的另一個(gè)原因是由于傳感器設(shè)備的基片與人體皮膚之間的折射率匹配。一般來說，底部發(fā)光的oled由于TIR的作用，在其襯底內(nèi)產(chǎn)生的光子總量中，只有30%到35%是在底部發(fā)光的。當(dāng)?shù)孜锖推つw之間的指數(shù)匹配時(shí)，它們之間沒有空氣間隙，大量底物限制的光子與皮膚耦合。這不僅有利于低功耗操作，也有利于防止光從OLED直接耦合到OPD而不通過人體皮膚。通過比較了兩種結(jié)構(gòu)，一種是OLED纏繞在OPD上，另一種是OPD纏繞在OLED上。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了后者的功耗比前者低80倍。這說明了此技術(shù)對(duì)可穿戴OPOs的好處可能不僅僅局限于形狀因素。但也可以大幅降低能耗，這兩者都是可穿戴技術(shù)成功推廣的關(guān)鍵。

人們正努力使OPO傳感器功能多樣化。如通過打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一組R型OPO傳感器，其中每個(gè)單元由一個(gè)紅色OLED、一個(gè)NIR OLED和兩個(gè)OPD組成。在PEN襯底上制作的傳感器陣列能夠?qū)崿F(xiàn)二維氧合映射。因此，氧飽和度測(cè)圖傳感器不僅可以用于慢性患者的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還可以用于術(shù)后恢復(fù)管理。同樣，一個(gè)補(bǔ)丁式的OPO傳感器可能被用來監(jiān)測(cè)睡眠呼吸暫停，這是導(dǎo)致美國(guó)每年約38000人死亡的原因。為了減少誤報(bào)的可能性，從而在持續(xù)監(jiān)測(cè)病人狀態(tài)的同時(shí)提高睡眠質(zhì)量，可以將貼片配置成包含兩種或兩種以上不同類型的傳感器，如呼吸檢測(cè)器。此外，如果結(jié)合心電圖傳感器，通過心電圖和心電之間的脈沖轉(zhuǎn)換時(shí)間差來估計(jì)血壓，可能使遠(yuǎn)程醫(yī)療更加準(zhǔn)確成為可能PPG信號(hào)。

用于高級(jí)傷口護(hù)理的可穿戴OLED貼片

光生物調(diào)節(jié)（PBM）是指細(xì)胞或組織中的分子與光相互作用而引起的生物變化。PBM的治療作用在古代就被發(fā)現(xiàn)了，但最近隨著激光和led等各種光源的發(fā)展而流行起來。例如，被稱為細(xì)胞色素c氧化酶的發(fā)色團(tuán)吸收的光子會(huì)引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)三磷酸腺苷的合成，為生物體的各種過程提供能量。這樣的過程可以幫助細(xì)胞更有效地生長(zhǎng)，從而使傷口的組織損傷能夠更快地愈合。到目前為止，這些光療法已經(jīng)在醫(yī)院安裝了光源，這往往限制了每個(gè)病人的PBM治療的頻率和持續(xù)時(shí)間。在這個(gè)意義上，OLEDs在可穿戴的、補(bǔ)丁式的形式下是非常有用的，因?yàn)樗梢杂糜趥€(gè)人醫(yī)療保健。即使在醫(yī)院環(huán)境中，深度創(chuàng)傷患者也不需要移動(dòng)到PBM光源所在的位置；相反，病人可以在他或她的床上用PBM光貼片貼在傷口上，就像粘著繃帶一樣。OLED作為一種區(qū)域光源的特性被認(rèn)為是非常有益的。它在不產(chǎn)生過多熱量的情況下產(chǎn)生均勻的光輸出，這對(duì)于防止熱量對(duì)細(xì)胞和組織的傷害是至關(guān)重要的。

認(rèn)識(shí)到這種潛力后，人們努力開發(fā)基于OLED的光療技術(shù)，提出了一種基于OLED的PBM設(shè)備（圖5a-c）。OLED作為表面光源，它在10mW cm?2的輻照度下產(chǎn)生均勻的光輸出，通過微腔效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)有效的波長(zhǎng)調(diào)諧。圖5 b， c展示了一個(gè)很明顯的傷口愈合效果。

圖5

對(duì)于這種補(bǔ)丁型OLED的開發(fā)，像織物這樣的形式將是非常有用的，因?yàn)樗鼈兛梢韵蛉我夥较蚶?，而且由于織物中固有的自由空間，它們可以很容易地符合具有各種形狀的物體?；谶@一觀點(diǎn)，有人證明了一種高效的基于織物的PhOLEDs（圖6），通過有限元模擬，驗(yàn)證了織物基板具有良好的柔韌性（圖6b）。與塑料襯底相比，織物由于其單獨(dú)的纖維而具有復(fù)雜的應(yīng)力分布。因?yàn)榭椢锸怯瑟?dú)立的纖維纏繞在一起的，所以編織織物中包含了一些空間，這些空間構(gòu)成了多個(gè)中性軸，一個(gè)零應(yīng)力區(qū)域。也就是說，機(jī)織織物襯底是按照編織圖案來分配機(jī)械應(yīng)力的，這使得織物襯底比塑料薄膜具有更強(qiáng)的機(jī)械魯棒性，如圖6b所示。所制得的OLED在最大亮度和電流效率方面表現(xiàn)出了高性能，超過了35，000 cd m?2和70 cd A?1。

圖6

在開發(fā)實(shí)用的可穿戴設(shè)備的過程中，最大的挑戰(zhàn)之一是確?？汕逑吹姆庋b屏障。一般認(rèn)為，洗滌過程中Al2O3的降解是造成典型多層膜屏障性能劣化的主要原因。為了避免這種惡化，有人提出使用SiO2 -聚合物復(fù)合材料作為封裝層中的Al2O3的封蓋層。他們證實(shí)了SiO2-聚合物復(fù)合物之間的質(zhì)子-脫質(zhì)子反應(yīng)可以抑制水環(huán)境中封裝屏障的降解（圖7a）。采用這種方法，水蒸氣透過率（WVTR）可維持7天（圖7b）。利用所提出的封裝屏障，在真實(shí)的紡織基板上制作的器件即使暴露在水環(huán)境中也能表現(xiàn)出穩(wěn)定的操作（圖7c）。

圖7

參考文獻(xiàn)：

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