目前無創血流動力學監測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。光電傳感器在監測具有優勢，因為它們可以在日常活動中以可穿戴的形式測量血氧飽和度等重要的生理信號。但是目前的傳感器在尺寸上均為mm級，這大大限制了其使用場景。

本文提出了一種局部血流動力學監測用的傳感器，通過垂直堆疊兩個不同波長的微型LED，在更緊湊的空間內（μm級）為光電探測器提供更多共用的光路，從而能夠監測特定目標區域的血流動力學。不同光極間距（從發光LED到接收PD）的設計也允許根據應用在距離傳感器不同的感興趣深度進行測量。

文章通過應用傳感器監測血流動力學參數，并以表貼和插入的形式對人體和小鼠模型進行缺氧誘導測試和光遺傳學刺激，證明了該方法的可行性，展示了其在包括神經血管耦合研究在內的廣泛生物醫學應用中的潛力。

圖1 多波長垂直堆疊微型光電傳感器電路，可用于人體組織表貼式監測和植入式監測。

1.使用垂直堆疊方法制備多波長Micro-LED

該設計使用了波長為460nm的藍光和波長為670nm的紅光，這兩個波段對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LED的擺放方式不同于傳統的平行放置和對稱放置，而是采取了垂直堆疊放置，俯視時就像一個LED，有效減少了電路尺寸。圖2-d、e顯示了傳感器的光學圖像，用于與米粒和人的頭發尺寸進行比較。其中紅色 LED 厚度：4.1 µm，藍色 LED 厚度：5.0 µm，兩個 LED 尺寸：250 × 300 µm2。

通過獨立調制 LED 的輸入電壓，使LED 產生不同的顏色。施加電流時多色 LED 的光譜特性見圖2-g~i。

圖2 垂直堆疊（V 型堆疊）多色微型 LED 搭配光電探測器 (PD)設計

2.垂直堆疊光電傳感器性能表征

作者首先對比了垂直堆疊方式與橫向并排方式、雙側對稱放置方式的光子路徑區別。統計每種設計中紅光和藍光的光子通常通過的體素數量，V 型堆疊設計比橫向并排放置多 24%，比雙側對稱放置設計多 127%。

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

圖3 V 型堆疊血流動力學傳感器的光學、電氣和機械特性

3.穿戴式人體脈搏波與脈搏血氧監測應用

研究人員還探索了一項極具吸引力的臨床應用：穿戴式脈搏波與脈搏血氧監測。

V 型堆疊血流動力學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 型堆疊傳感器測得的光電容積描記法 (PPG) 信號，包括紅光和藍光兩個波長的數據。計算得到的心率與來自 ECG 傳感器的心率完全匹配。

此外，作者進一步做了降氧誘導試驗，以觀察并驗證在脈搏血氧飽和度下降過程中，V型堆疊傳感器測量的血氧飽和度與商用的血氧飽和度傳感器的一致性。

實驗裝置包括：兩個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%）。控制受試者的吸入氧濃度在 50 秒內從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）的測量值相匹配。

圖4 V 型堆疊血流動力學傳感器的人體降氧測試

血氧飽和度的計算中一般存在R曲線的標定環節，作者設計的試驗人數較少，并且沒有標定過程，因此試驗中的血氧飽和度下降曲線并無實際意義，若能增加試驗人群做曲線標定，則可以進一步揭示該傳感器用于無創血氧監測的應用潛力。

另外，460nm波長的藍光對于血液中含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的吸收系數雖然差異性大，但是吸收系數整體偏大，幾乎是紅光的數十倍，使得該波長的光線進入組織和血液后，大部分都被人體吸收，傳感器檢測到的反射信號非常微弱，不利于信噪分離，要想獲得較高的信號質量，則需要增加藍光的驅動電壓從而增加系統功耗。如果采用900nm以上的紅外光，或許結果會更加穩定。

4.插入式活體血流動力學監測

除了表貼式的監測，作者還研究了該傳感器在插入活體時對血流動力學參數監測的能力。他們搭建了動物模型和氧艙。 V型堆疊傳感器置于股動脈周圍，同時貼了商用ECG傳感器加以作比較。

V型堆疊傳感器計算得到的心率與ECG傳感器的結果相匹配。

在動物氧艙中測量動物模型的組織氧飽和度，對動物模型使用可插入的V-stack血流動力學傳感器進行的測量結果。測得的氧飽和度（StO2，紅線）在吸入氧氣濃度（FiO2，黑線）從21%降至10%時下降，時間約為100秒。當吸入氧氣濃度恢復到22.5%時，氧飽和度也隨之恢復。

值得注意的是，該傳感器在進行插入式血流動力學監測時使用了PDMS進行外封裝，在不影響光信號傳輸的前提下實現了生物相容性，這增加了其醫療應用的可能性。

5.總結

本文中的驗證試驗雖然處于科研階段，但是該傳感器其兼具柔性和微尺寸的封裝結構和良好的測試性能展示了其廣闊的發展前景。特別是在可穿戴設備中集成血氧飽和度及心率的無感監測，使得其在微創表面（如皮瓣移植術后監測）進行工作的可能性大大增加；此外還可以在顱內、大臟器進行插入式血流動力學監測。如果該傳感器制備工藝和成本得到有效控制，其在消費醫療領域也存在較大的應用空間。