中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

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2021年9月1-3日 | 上海世博展览馆2&4号馆

超越显示——OLED在可穿戴医疗领域的应用

2021-02-10

OLEDs被认为特别适合可穿戴设备或人体可接触设备,其可低温加工在各种柔性衬底上,如塑料,这对实现轻如鹅毛、灵活、可拉伸和物体共形的光源方面很有用。事实上,智能手表类可穿戴设备所采用的显示设备大多采用塑料有源矩阵OLED,因为其轻巧、轻薄的外形因素。

可穿戴设备中的OLEDs应用并不局限于智能手表的显示屏。事实上,OLEDs在移动医疗领域也可以发挥重要作用,其可穿戴设备的形式尤其受到欢迎。例如,健康监测传感器测量重要的人体信号,如心跳和血氧水平,以及用于高级伤口护理或皮肤护理的光贴片,如图1所示。这里我们将回顾这些OLED在可穿戴医疗保健应用中近来研究的亮点和关键问题。

图1 OLEDs在可穿戴医疗中的潜在应用
用于可穿戴脉搏血氧测量传感器的OLEDs

心血管循环是维持生命最重要的生物活动。因此,以适当的方式对其进行监控是很重要的。在许多情况下,对这些活动的测量仅限于医院内的护理,但它正迅速扩展到移动或个人卫生保健领域。特别是,可穿戴电子设备的进步使得从健康跟踪到婴儿、慢性病患者或术后出院患者的生物信号监测等日常活动的测量成为可能。

在心血管监测方法中,光体积描记法(PPG)信号和血氧饱和度(SpO2)水平是通过使用发光器件和光检测器,进行无创光测量的。由于有机技术与可穿戴或人体可附着的形式因子具有良好的兼容性,因此很自然地认为有机发光二极管(OLEDs)和有机光电二极管(OPDs)可以作为可穿戴式PPG和/或SpO2传感器的光源和检测器。

目前一些研究小组已经证明OLED技术是一种可行的、有前途的可穿戴健康监测技术。

PPG和SpO2信号检测原理

PPG传感器中的信号是根据心血管循环引起的血管体积变化而调节的光子吸收(图2a)。一般来说,根据光源和光电探测器之间的配置,PPG传感器可分为透射型(T型)和反射型(R型)。

在T型中,光源和光电探测器位于感兴趣的物体上(如手指、耳垂等)。另一方面,在R型PPG传感器中,光源和光电探测器并排放置。R型PPG传感器常用于智能手表或腕带,因为大多数身体部位(如手腕)太厚,无法使用T型PPG传感器(见图2b)。

图2
SpO2是指血液中含氧血红蛋白(HbO2)与非含氧血红蛋白(Hb)总量的比值。通过校准过程,可以通过比较HbO2和Hb在两个不同波长的吸收差来估计。因此,SpO2传感器由两个不同波长的光源和一个共享的光电探测器组成,两个光源交替开启。由于它本质上相当于一个PPG传感器,除了存在两个不同的光源,SpO2传感器还可以提供PPG信号。因此,SpO2传感器也被称为“脉搏血氧计”或“脉搏血氧测量传感器”。

有机脉搏测氧传感器

基于可穿戴设备所必需的柔性薄膜实现的有机技术的固有优势,一些研究小组致力于开发有机PPG或脉冲血氧测量传感器,以取代基于Si和III-V复合半导体的分立元件。如图3a所示的基于共轭聚合物的OLED和OPD集成在一起的PPG传感器。进一步研究证明了溶液处理的绿色和红色有机发光二极管与聚合物的结合OPDs,可以测量SpO2值以及PPG信号(图3b)。

与使用红色和近红外(NIR) led的商业脉搏血氧仪不同,绿色和红色光源在他们的研究中被使用,因为与可见光谱范围内的光源相比,NIR OLEDs仍处于起步阶段。

在此之后,有人提出了一个系统,其中包含一个有机脉搏血氧测量(OPO)传感器头、一个定制设计的CMOS IC芯片和一个纽扣式电池(图3c)。贴片是基于5.5cm×2.5cm的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。它有小分子oled与绿色和红色磷光发射器,以有效运作。基于小分子共混体积异质结,OPD被放置在与OLEDs相邻的中间位置进行T型操作。

EQE高达20%和响应率与Si的光敏二极管(PDs)、动脉血氧饱和度相对较低的驱动电流的数据是可衡量的240µA绿色OLED和300µA红色OLED。之后通过应用超薄包装技术进一步提高了OPO传感器在可穿戴设备上的潜力,从而产生了重量轻、高度适形、几乎难以察觉的脉搏血氧计。以聚酰亚胺平面化的对二甲苯薄膜为衬底,采用对二甲苯与锡安交替二位的多层阻挡层进行钝化(图3d)。制备的OPO传感器总厚度3μm。

此外,最近展示的基于打印的OPO传感器制造的进展,说明了OPO的潜力低成本实现的OPO技术。在这项工作中,两个不同的功能材料在一个步骤中同时打印。他们利用自组装单层膜(SAMs)的疏水性来区分将要形成图案的表面和没有形成图案的表面。O2等离子体用于空间选择性地定义SAMs。

如图3e所示,通过所提出的叶片涂层工艺,同时形成了电子阻挡层PEDOT:PSS和各发射层。因此,绿色和红色聚合物发光二极管(PLEDs)同时实现。他们在绿色和红色的褶旁放置了一个硅基PD,得到了一个R型脉搏血氧仪,显示可以从手背提取PPG信号和SpO2值(见图3e)。

图3
OPO传感器的早期研究主要集中在有机技术的形式因素或工艺优势的展示上;然而,这些传感器是用于可穿戴设备的,其中电池容量相当小。这可能会限制OPO技术的实际部署,因为如果能够实现全天连续监测,可穿戴健康监测设备的好处将会最大化。

因此,我们重新审视了R型脉搏血氧计的总体设计。我们用最大限度地利用来自光源的光子来代替它们典型的并排布局。在考虑吸收和散射的情况下,对波长依赖性光在人体皮肤内的传播进行了光学分析(图4a)。在有机模式形成的自由度,然后用来确定传感器布局优化的脉搏血氧测量传感器,使浪费的光子的数量可以最小化,同时仍然满足大小约束和信噪比(信噪比)的要求。

如图4b所示,OPD的形状像一个数字字符“8”,环绕着红色和绿色的圆形oled,R型OPO传感器的驱动功率低至几十微瓦。与市面上的r型脉搏血氧计相比,这是一个数量级的降低(图4c)。

图4
这种传感器效率提高的另一个原因是由于传感器设备的基片与人体皮肤之间的折射率匹配。一般来说,底部发光的oled由于TIR的作用,在其衬底内产生的光子总量中,只有30%到35%是在底部发光的。当底物和皮肤之间的指数匹配时,它们之间没有空气间隙,大量底物限制的光子与皮肤耦合。这不仅有利于低功耗操作,也有利于防止光从OLED直接耦合到OPD而不通过人体皮肤。

通过比较了两种结构,一种是OLED缠绕在OPD上,另一种是OPD缠绕在OLED上。实验证实了后者的功耗比前者低80倍。这说明了此技术对可穿戴OPOs的好处可能不仅仅局限于形状因素。但也可以大幅降低能耗,这两者都是可穿戴技术成功推广的关键。

人们正努力使OPO传感器功能多样化。如通过打印技术实现了一组R型OPO传感器,其中每个单元由一个红色OLED、一个NIR OLED和两个OPD组成。在PEN衬底上制作的传感器阵列能够实现二维氧合映射。因此,氧饱和度测图传感器不仅可以用于慢性患者的实时监测,还可以用于术后恢复管理。

同样,一个补丁式的OPO传感器可能被用来监测睡眠呼吸暂停,这是导致美国每年约38000人死亡的原因。为了减少误报的可能性,从而在持续监测病人状态的同时提高睡眠质量,可以将贴片配置成包含两种或两种以上不同类型的传感器,如呼吸检测器。此外,如果结合心电图传感器,通过心电图和心电之间的脉冲转换时间差来估计血压,可能使远程医疗更加准确成为可能PPG信号。

用于高级伤口护理的可穿戴OLED贴片

光生物调节(PBM)是指细胞或组织中的分子与光相互作用而引起的生物变化。PBM的治疗作用在古代就被发现了,但最近随着激光和led等各种光源的发展而流行起来。

例如,被称为细胞色素c氧化酶的发色团吸收的光子会引发光化学反应,促进三磷酸腺苷的合成,为生物体的各种过程提供能量。这样的过程可以帮助细胞更有效地生长,从而使伤口的组织损伤能够更快地愈合。到目前为止,这些光疗法已经在医院安装了光源,这往往限制了每个病人的PBM治疗的频率和持续时间。

在这个意义上,OLEDs在可穿戴的、补丁式的形式下是非常有用的,因为它可以用于个人医疗保健。即使在医院环境中,深度创伤患者也不需要移动到PBM光源所在的位置;相反,病人可以在他或她的床上用PBM光贴片贴在伤口上,就像粘着绷带一样。OLED作为一种区域光源的特性被认为是非常有益的。它在不产生过多热量的情况下产生均匀的光输出,这对于防止热量对细胞和组织的伤害是至关重要的。

认识到这种潜力后,人们努力开发基于OLED的光疗技术,提出了一种基于OLED的PBM设备(图5a-c)。OLED作为表面光源,它在10mW cm−2的辐照度下产生均匀的光输出,通过微腔效应可以实现有效的波长调谐。图5 b, c展示了一个很明显的伤口愈合效果。

图5
对于这种补丁型OLED的开发,像织物这样的形式将是非常有用的,因为它们可以向任意方向拉伸,而且由于织物中固有的自由空间,它们可以很容易地符合具有各种形状的物体。基于这一观点,有人证明了一种高效的基于织物的PhOLEDs(图6),通过有限元模拟,验证了织物基板具有良好的柔韧性(图6b)。与塑料衬底相比,织物由于其单独的纤维而具有复杂的应力分布。因为织物是由独立的纤维缠绕在一起的,所以编织织物中包含了一些空间,这些空间构成了多个中性轴,一个零应力区域。也就是说,机织织物衬底是按照编织图案来分配机械应力的,这使得织物衬底比塑料薄膜具有更强的机械鲁棒性,如图6b所示。所制得的OLED在最大亮度和电流效率方面表现出了高性能,超过了35,000 cd m−2和70 cd A−1。

图6
在开发实用的可穿戴设备的过程中,最大的挑战之一是确保可清洗的封装屏障。一般认为,洗涤过程中Al2O3的降解是造成典型多层膜屏障性能劣化的主要原因。为了避免这种恶化,有人提出使用SiO2 -聚合物复合材料作为封装层中的Al2O3的封盖层。他们证实了SiO2-聚合物复合物之间的质子-脱质子反应可以抑制水环境中封装屏障的降解(图7a)。采用这种方法,水蒸气透过率(WVTR)可维持7天(图7b)。利用所提出的封装屏障,在真实的纺织基板上制作的器件即使暴露在水环境中也能表现出稳定的操作(图7c)。

图7
文章及图片来源:柔性电子服务平台