可穿戴醫(yī)療技術(shù)在臨床環(huán)境和日常健康監(jiān)測中都得到了廣泛的普及。ElFys在該領(lǐng)域引入了高性能光電二極管(PD)，利用黑硅感應(yīng)結(jié)技術(shù)，旨在提高可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備的準(zhǔn)確性和效率，特別是在光電體積脈搏描記(PPG)方面。
 

重點:

•可穿戴健康技術(shù)是臨床和日常環(huán)境中持續(xù)監(jiān)測的組成部分。
•ElFys解決了可穿戴健康監(jiān)測儀對高精度、便攜性和能效的需求。
•光電體積脈搏描記(PPG)是一項核心技術(shù)，為心率和血氧評估提供了對血容量變化的光學(xué)見解。
•ElFys的黑硅感應(yīng)結(jié)PD在測量精度，功率效率和整體功能方面突出他們的有效性。
•該創(chuàng)新技術(shù)消除了光學(xué)損耗，并利用無重組pn結(jié)，在UV-VIS-NIR光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)了接近理想的外部量子效率(EQE)。
•ElFys的SM系列PD專為可穿戴式健康監(jiān)測而設(shè)計，具有卓越的靈敏度，對綠光和紅光的光響應(yīng)顯著改善。
•優(yōu)點包括更高的信噪比、更高的精度、更低的功耗，以及設(shè)計更小、更謹(jǐn)慎的可穿戴設(shè)備的潛力。
•優(yōu)先考慮終端用戶體驗，為精確的醫(yī)療診斷、早期疾病檢測和有效的運動訓(xùn)練提供潛力。 ElFys黑硅感應(yīng)結(jié)技術(shù)代表了可穿戴健康監(jiān)測領(lǐng)域的重大進(jìn)步，有望提高準(zhǔn)確性、靈敏度和以用戶為中心的優(yōu)勢，與不斷發(fā)展的健康和保健技術(shù)領(lǐng)域保持一致。
 

作者簡介:

Toni Pasanen是ElFys公司的高級項目工程師，也是該公司的聯(lián)合創(chuàng)始 人之一。
他擁有芬蘭阿爾托大學(xué)(Aalto University)微納米科學(xué)(Tech.)博士學(xué)位，具有基于半導(dǎo)體的光電器件的應(yīng)用研究背景。他在各種類型的光和輻 射探測器的設(shè)計和制造方面有幾年的經(jīng)驗，在納米結(jié)構(gòu)黑硅表面和薄 膜方面也有很強(qiáng)的專業(yè)知識。帕薩寧博士撰寫了數(shù)十篇同行評議的科 學(xué)文章，寫了一本書關(guān)于黑硅的性質(zhì)和應(yīng)用的章節(jié)，并在幾個國際會 議和其他活動中展示了他的工作。

PPG 簡介

可穿戴設(shè)備中HR和SpO2的測量通常基于一種稱為光電體積脈搏描記(PPG)的技術(shù)[2]。 它是一種光學(xué)測量外周循環(huán)中血容量變化的方法。在這項技術(shù)中，PPG模塊緊緊貼 著佩戴者的皮膚，由LED燈照亮。一部分光被血液、組織和骨骼吸收，而一部分光通過身體部位透射，一部分光被反射。吸收光的數(shù)量是通過用PD圖 1a）測量透射光或反射光來表征的，PD得到的也是和光強(qiáng)成比例的電信號。以前用的方法(測量透射光)被用于脈搏血氧 儀，例如測量患者指尖或耳垂的SpO2, 而消費產(chǎn)品，如智能手表和戒指，更多地依賴于反射光的測量，因為它們通常被放置在身體較厚的部位，而這些部位光線無法穿透。

動脈中的血量周期性地變化，其頻率由?臟度跳動的的速度決定。也可以感覺到手腕或頸部的脈搏，大部分光被吸收，PD測量的透射/反射光強(qiáng)度較小(圖1b)。光信號中兩個脈沖之間的時間表示一個心臟周期，監(jiān)測光強(qiáng)度峰值的數(shù)量作為時間的函數(shù)得到每分鐘跳動(bpm)的 的?率。在實踐中，這個過程并不是那么 簡單，但是先進(jìn)的信號處理算法能夠從PD 信號的周期性變化中確定?率。

盡管測量可以檢測動脈血容量的變化，但它不能量化血的量，因為PD測量的定量光強(qiáng)度除了取決于動脈血液的吸收外，還取決于幾個未知因素。這些因素包括組織、骨骼和靜脈血的吸收，以及測量單元與皮膚的貼合程度。

血液對光的吸收取決于光的波長(圖2)。綠光被人體血液有效吸收，因此通常用于測量心率。吸收還取決于血液中的血紅蛋白(Hb)分子是否與氧結(jié)合。這種效應(yīng)在紅光和近紅外(NIR)光下最強(qiáng)，這就是為什么 這些波長通常用于PPG測量SpO2。在這個 測量中，光的吸收在兩個不同的波長，通 常約660和940nm波長，是用PD進(jìn)行測量。

由圖2可知，氧合Hb分子濃度越高，對紅光的吸光度越低，對NIR的吸光度越高。通過比較這兩個波長下的信號電平，數(shù)據(jù) 算法可以計算出血紅蛋白及其含氧分子的相對濃度，從而得出血氧飽和度水平。

影響LED顏色選擇的另一個因素是光的吸收深度。一般來說，短波長的光更靠近皮膚表面被吸收，而長波的光則更深入組織。波長較短的綠光大多被表面組織反射，與組織深處較大的動脈相比，小動脈中的血液量隨用戶手的運動變化較小。這使得由用戶的運動引起的信號中的噪聲更小。因此，在佩戴者移動的情況下，例如在鍛煉期間，綠光更適合用于HR測量。依靠紅光的光學(xué)測量，例如SpO2測量，通常要用戶在數(shù)據(jù)采集過程中保持相當(dāng)靜止才能準(zhǔn)確。

 選擇LED時要考慮的第三個因素，特別是可穿戴設(shè)備，是功耗。綠色LED燈的缺點  是它們通常比紅色或NIR LED燈更耗電，因為波長較小的光子攜帶更多的能量，因此需要產(chǎn)生更多的電力。如果用相同的功率驅(qū)動綠色和紅色LED燈，紅色LED燈會更亮一些，這樣就能產(chǎn)生更大的光強(qiáng)。事實上，當(dāng)佩戴者在休息時，有些設(shè)備會采用紅光或者NIR光來監(jiān)測心率從而節(jié)約電池。

PPG 模塊的關(guān)鍵部件之一是 PD，它用于測量透過 人體或從人體反射的光線。PD 的性能在很大程度 上受光吸收效率的影響。減少光學(xué)損耗的常用方法 是在 PD 表面涂上抗反射 (AR) 涂層，以減少 PD表面的光反射。雖然這種技術(shù)在單一的窄波長區(qū)域 效果很好，但 AR 涂層甚至?xí)黾悠渌ㄩL的光損 耗，而這并不是它的設(shè)計目的。

ElFys 光致發(fā)光器件的前表面（圖 3）沒有 AR 涂 層，而是有微小的納米結(jié)構(gòu)，即黑色硅（Si），光 線會在這些納米結(jié)構(gòu)中損失。用更科學(xué)的術(shù)語來說，黑色硅納米結(jié)構(gòu)形成了一個分級折射率層，因此，入射光線看不到空氣和硅之間的界面，也就不會發(fā)生反射。因此，從紫外線（UV）到可見光（VIS）和近紅外的寬波長范圍內(nèi)，黑硅表面的反射幾乎 為零，所有光線都被硅材料吸收。黑色硅還能有效 散射光，增加光路長度，從而減少長波長光的傳輸，因為長波長光在硅中傳輸距離較長，然后才會被 吸收。因此，ElFys PD 的光學(xué)損耗可以忽略不計。

100% 的吸收率意味著每一個入射光子都會產(chǎn)生一個電荷對：一個電子和一個空穴。 但是電荷載流子收集通常是通過在 PD 正面的一薄層 硅中摻入與硅塊極性相反的摻雜劑，形成 p-n 結(jié)來實現(xiàn)的。然而，高摻雜層會導(dǎo)致過多的電 荷載流子重組，從而限制了 PD 的性能，尤其 是被摻雜層吸收的短波長光。
為了避免這些問題，ElFys PD 采用了獲得***感應(yīng)結(jié)技術(shù)。黑色硅納米結(jié)構(gòu)表面鍍有一層 帶電薄膜，可在 PD 前表面附近產(chǎn)生強(qiáng)大的電 場 [3]。電場使表面附近硅材料的極性發(fā)生逆 轉(zhuǎn)（圖 3），并形成 p-n 結(jié)，負(fù)責(zé)電子和空穴 的匯聚。由于不需要外部摻雜劑，因此可以有 效地將電損耗降至最低，對于短波長光也是如 此。

PD的選擇對PPG測量的準(zhǔn)確性有重大影響。 由于器件負(fù)責(zé)捕獲傳輸或反射光信號，因此無論使用何種軟件算法，其性能都 決定了原始測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

如前一節(jié)所 述，ElFys提供基于**黑硅感應(yīng)結(jié)技術(shù)的?性能PD。ElFys SM系列產(chǎn)品專用于需要高靈敏度的穿戴類監(jiān)測應(yīng)用。這些PD封裝在表面貼裝型封裝中，PD附著在印刷電路板(PCB)上，并在光學(xué)環(huán) 氧樹脂中成型以進(jìn)行表面保護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)尺寸為3.22 mm2和4.46 mm2，可現(xiàn)貨購買，方便插入式更換，但產(chǎn)品也可以靈活定制，以滿足客戶的特定要求。
PPG應(yīng)用中PD性能最重要的參數(shù)之一是光響應(yīng)，它告訴PD每瓦入射光產(chǎn)生多大的輸 出電流。更高的值意味著更少的光足以產(chǎn) 生同樣強(qiáng)的信號，或者類比地說，對于相 同數(shù)量的光，電信號更強(qiáng)。圖5給出了封 裝的ElFys SM系列產(chǎn)品與另一種先進(jìn)的 PD通常用于PPG的典型響應(yīng)光譜。ElFys**黑硅感應(yīng)結(jié)技術(shù)在綠光波段的靈敏 度提高了約50%，在540nm波長的光響應(yīng)高達(dá)0.40 A/W。在紅外波段的響應(yīng)也接近達(dá)到理想值，在630nm時 性能提高了> 15%，達(dá)到0.47 A/W。

終端用戶受益于光電二極管性能的提高

光電二極管性能的提高為可穿戴健康監(jiān)測設(shè) 備的用戶提供了幾個具體的好處。光測量的更高靈敏度能夠使檢測到之前由于精度有限??法檢測到的新的身體參數(shù)，這可能為光 學(xué)測量技術(shù)開辟全新的用例，并為可穿戴設(shè)備帶來新的應(yīng)用。在醫(yī)療應(yīng)用中，更高的測量精度可以更準(zhǔn)確地監(jiān)測生命體征改善診 斷，甚至有可能挽救生命。另一方面如果患 者可以在家中自行監(jiān)測和檢查，只需要護(hù)士 或醫(yī)生的遠(yuǎn)程會診，那么醫(yī)療保健所需的資 源數(shù)量就會減少，這在人口老齡化同時又缺 乏受過教育的人員的現(xiàn)代社會中至關(guān)重要。 此外，消費者可穿戴設(shè)備也支持同樣的目標(biāo)，如果它們能讓人們對自己的健康更感興，并激勵他們遵循更健康的生活方式，減少 對醫(yī)療保健的需求。
用更靈敏的傳感器持續(xù)監(jiān)測生命體征也可能有助于更早地發(fā)現(xiàn)疾病。可穿戴設(shè)備可能會在佩戴者出現(xiàn)任何明顯癥狀之前就顯示出心律失常或睡眠呼吸暫停，這樣就可以在疾病變得過于嚴(yán)重之前及時開始適當(dāng)?shù)尼t(yī)療治療。

結(jié)論

參考文獻(xiàn)

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