Оцифрованный и постоянный мониторинг сигналов биомедицины считается главным элементом мобильной медицинской помощи, когда пациент может получать уведомления об изменениях в состоянии здоровья или получить медицинские услуги, находясь вдали от больницы. Собранные сигналы о биологическом здоровье могут иметь глубокие последствия, выступая в качестве основы для медицинских "баз данных", благодаря которым выявляются неизвестные связи между болезнями.
Фотоплетизмограмма и сигналы периферической насыщенности кислородом являются хорошим примером таких сигналов о состоянии здоровья, которые могут выиграть от непрерывного мониторинга. Они не только предоставляют ключевую информацию о жизненном состоянии человека, но и будут иметь связь с другими симптомами или физическими условиями. Оба сигнала могут быть измерены одновременно медицинским прибором под названием "пульсоксиметр", который обычно состоит из:
- источников света в двух разных длинах волн,
- фотоприемника, генерирующего электрические сигналы, модулируемые волнозависимым поглощением фотонов в сосудах.
Пульсоксиметрические датчики считаются как устройства для мониторинга элементарных, но критически важных состояний здоровья человека. Обычные пульсоксиметры основаны на неорганических светодиодах (LED), изготовленных из сложных полупроводников III-V и фотодиодов Si. Сбор достаточного уровня сигнала в этих системах часто требует энергопотребления порядка милливатт, даже при относительно высокой эффективности светодиодов. Поэтому невозможно их применение к носимым устройствам, использующим батареи с ограниченным объемом памяти.
В качестве альтернативы неорганическим пульсоксиметрам, недавно продемонстрировали те, которые основаны на органических светодиодах (OLED) и органических фотодиодах (OPD). Эти новаторские разработки показали потенциал пульсоксиметров на органической основе для износостойких датчиков, поскольку они могут быть механически гибкими и легковесными.
Сверхмощный отражающий органический пульсоксиметр.
В дополнение к эффективному использованию фотонов, которое достигается за счет высокой степени свободы дизайна и органической технологией устройства, следует также отметить важность соответствия показателя преломления между основанием устройства и кожей человека. В типичном органическом пульсоксиметре, излучающем снизу, многие из фотонов, генерируемых активным слоем, из-за полного внутреннего отражения ограничены в его корпусе, и их относительная доля может достигать примерно 30-35%. Это даже больше, чем доля фотонов, напрямую связанных с воздухом, что в лучшем случае составляет около 20% для изотропных дипольных излучателей.Таким образом, правильно подобранная по индексу работа делает OLED-светодиоды более выгодными для датчиков измерения.
В связи с конформным характером гибких устройств было установлено, что оптическая мощность, контролируемая от края основания, уменьшается примерно на 32%, когда передняя часть устройства контактирует с нижней частью пальца. Это снижение происходит из-за контактно-индуцированного выделения света из фотонов, содержащихся в субстрате. Основное различие будет связано с:
- ограниченной областью контакта между ладонью пальца и поверхностью OLED;
- фотонами, которые попадают в поверхность после обратного рассеяния внутри кожи;
- волнистостью в пальце, которая еще больше ограничивает область контакта. Использование жидкости, соответствующей индексу, между пальцем и основанием увеличивает уменьшение до 40%, указывая на то, что 10% разница может быть вызвана волнистостью.
Кроме того, согласование индексов между поверхностью и OLED играет дополнительную роль, предотвращая попадание света из пульсоксиметра непосредственно в основание без прохождения через кожу. Компонент постоянного тока, если он значителен, затмит малые сигналы, получаемые в результате распространения света внутри кожи. При наличии воздушного зазора между поверхностью пульсоксиметра и кожей количество света может значительно увеличиться, но большая часть сигнала будет поступать от лучей, направляемых внутри основания, а не лучей, проходящих через нее и возвращающихся.
Также отмечается, что настоящее моделирование не способно отделить фотоны, встречающиеся при прохождении с кровеносными сосудами, от тех, которые их не встречают. Разработка такого имитационного моделирования, способного отличить их друг от друга, помогла бы выяснить, что происходит под кожей человека, чтобы обеспечить легкий доступ к отражающим датчикам.
Имея два относительно толстых основания для измерения пульса, рассматриваемые датчики обладают ограниченной степенью гибкости. Это не является большой проблемой для отражающих датчиков, поскольку, в отличие от датчиков передающего типа, они не должны быть обернуты в узкий радиус изгиба. Тем не менее, датчики должны быть аккуратно прижаты к коже для обеспечения полного конформного контакта в данном случае. Разработка высокогибких устройств на основе ультратонких корпусов, называемых "незаметными электронными устройствами", может быть полезна не только из-за их незаметности, но и для значительно улучшенного конформного контакта между датчиками и кожей. В настоящее время ведутся работы на основе ультратонких поверхностей и тонкопленочной инкапсуляции.
Таким образом, органические пульсоксиметры могут работать на уровне нескольких десятков микроватт - намного меньше мощности, чем требуется для неорганических устройств. Это демонстрирует, что органические пульсоксиметры являются перспективными не только в отношении внешних факторов, но и энергопотребления. Они могут стать главным кандидатом на приобретение названия автономных носимых устройств, готовых к непрерывному, круглосуточному мониторингу.