目前无创血流动力学监测的方式主要包括光电容积描记法 (PPG) 、近红外光谱法 (NIRS) 等方式。光电传感器在监测具有优势，因为它们可以在日常活动中以可穿戴的形式测量血氧饱和度等重要的生理信号。但是目前的传感器在尺寸上均为mm级，这大大限制了其使用场景。

 

本文提出了一种局部血流动力学监测用的传感器，通过垂直堆叠两个不同波长的微型LED，在更紧凑的空间内（μm级）为光电探测器提供更多共用的光路，从而能够监测特定目标区域的血流动力学。不同光极间距（从发光LED到接收PD）的设计也允许根据应用在距离传感器不同的感兴趣深度进行测量。

 

文章通过应用传感器监测血流动力学参数，并以表贴和插入的形式对人体和小鼠模型进行缺氧诱导测试和光遗传学刺激，证明了该方法的可行性，展示了其在包括神经血管耦合研究在内的广泛生物医学应用中的潜力。

 

图1 多波长垂直堆叠微型光电传感器电路，可用于人体组织表贴式监测和植入式监测。

 

1.使用垂直堆叠方法制备多波长Micro-LED

 

该设计使用了波长为460nm的蓝光和波长为670nm的红光，这两个波段对血液中脱氧血红蛋白和含氧血红蛋白均有较大的吸收差异，可较好的分辨这两种蛋白。

 

两个LED的摆放方式不同于传统的平行放置和对称放置，而是采取了垂直堆叠放置，俯视时就像一个LED，有效减少了电路尺寸。图2-d、e显示了传感器的光学图像，用于与米粒和人的头发尺寸进行比较。其中红色 LED 厚度：4.1 µm，蓝色 LED 厚度：5.0 µm，两个 LED 尺寸：250 × 300 µm2。

 

通过独立调制 LED 的输入电压，使LED 产生不同的颜色。施加电流时多色 LED 的光谱特性见图2-g~i。

 

图2 垂直堆叠（V 型堆叠）多色微型 LED 搭配光电探测器 (PD)设计

 

2.垂直堆叠光电传感器性能表征

 

作者首先对比了垂直堆叠方式与横向并排方式、双侧对称放置方式的光子路径区别。统计每种设计中红光和蓝光的光子通常通过的体素数量，V 型堆叠设计比横向并排放置多 24%，比双侧对称放置设计多 127%。

 

其次作者研究了红色和蓝色 LED 的电流-电压特性，正向电压，以及在半径为5mm的重复机械弯曲循环（频率：0.1Hz）下光电探测器的短路电流密度和填充因子。

 

图3 V 型堆叠血流动力学传感器的光学、电气和机械特性

 

3.穿戴式人体脉搏波与脉搏血氧监测应用

 

研究人员还探索了一项极具吸引力的临床应用：穿戴式脉搏波与脉搏血氧监测。

 

V 型堆叠血流动力学传感器采用软弹性体（PDMS）封装，可附着于皮肤，随后贴在人体手指上，受试者同时连接商用心电图 (ECG) 以供比较。

 

图3-d、e显示了 V 型堆叠传感器测得的光电容积描记法 (PPG) 信号，包括红光和蓝光两个波长的数据。计算得到的心率与来自 ECG 传感器的心率完全匹配。

 

此外，作者进一步做了降氧诱导试验，以观察并验证在脉搏血氧饱和度下降过程中，V型堆叠传感器测量的血氧饱和度与商用的血氧饱和度传感器的一致性。

 

实验装置包括：两个不同氧气浓度的气体袋（袋子1：氧气浓度21%，袋子2：氧气浓度10%）。控制受试者的吸入氧浓度在 50 秒内从21%降低到10%，V 型堆叠传感器（红线）的氧饱和度下降，与商用传感器（黑线）的测量值相匹配。

 

图4 V 型堆叠血流动力学传感器的人体降氧测试

 

血氧饱和度的计算中一般存在R曲线的标定环节，作者设计的试验人数较少，并且没有标定过程，因此试验中的血氧饱和度下降曲线并无实际意义，若能增加试验人群做曲线标定，则可以进一步揭示该传感器用于无创血氧监测的应用潜力。

另外，460nm波长的蓝光对于血液中含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收系数虽然差异性大，但是吸收系数整体偏大，几乎是红光的数十倍，使得该波长的光线进入组织和血液后，大部分都被人体吸收，传感器检测到的反射信号非常微弱，不利于信噪分离，要想获得较高的信号质量，则需要增加蓝光的驱动电压从而增加系统功耗。如果采用900nm以上的红外光，或许结果会更加稳定。

 

4.插入式活体血流动力学监测

 

除了表贴式的监测，作者还研究了该传感器在插入活体时对血流动力学参数监测的能力。他们搭建了动物模型和氧舱。 V型堆叠传感器置于股动脉周围，同时贴了商用ECG传感器加以作比较。

 

V型堆叠传感器计算得到的心率与ECG传感器的结果相匹配。

 

在动物氧舱中测量动物模型的组织氧饱和度，对动物模型使用可插入的V-stack血流动力学传感器进行的测量结果。测得的氧饱和度（StO2，红线）在吸入氧气浓度（FiO2，黑线）从21%降至10%时下降，时间约为100秒。当吸入氧气浓度恢复到22.5%时，氧饱和度也随之恢复。

 

值得注意的是，该传感器在进行插入式血流动力学监测时使用了PDMS进行外封装，在不影响光信号传输的前提下实现了生物相容性，这增加了其医疗应用的可能性。

 

5.总结

 

本文中的验证试验虽然处于科研阶段，但是该传感器其兼具柔性和微尺寸的封装结构和良好的测试性能展示了其广阔的发展前景。特别是在可穿戴设备中集成血氧饱和度及心率的无感监测，使得其在微创表面（如皮瓣移植术后监测）进行工作的可能性大大增加；此外还可以在颅内、大脏器进行插入式血流动力学监测。如果该传感器制备工艺和成本得到有效控制，其在消费医疗领域也存在较大的应用空间。

 

 

来源：医工学人

关键词： 传感器