CN108135474A - 利用近红外光谱学的柔性、无创的实时血肿监测系统 - Google Patents

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Abstract

提供了包括在NIR光谱中工作的完全印刷的LED和PD的NIRS系统，其提供与患者头部的适形粘附和近红外吸收的有效测量。电路处理来自位于患者头部上的一个或多个设备的数据并将其无线传输到远程和/或便携式设备。使用多个传感器改善了测量的空间分辨率，并且在便携式设备上的后处理提供了将结果发送给患者的医师的能力，例如通过安全的互联网连接。

Description

利用近红外光谱学的柔性、无创的实时血肿监测系统
本发明是在国家科学基金会授予的基金号DGE1106400的政府支持下完成的。政府享有本发明的某些权益。
背景技术
由于钝性头部创伤或中风而导致的血肿(如硬脑膜外血肿、硬膜下血肿和颅内血肿)如果不及时治疗会导致持续的脑损伤甚至死亡。监测有风险的患者对血肿的检测和治疗至关重要。CT和MRI扫描通常用于评估血肿的严重程度和位置，但许多患者(尤其是发展中国家或战场上的患者)无法使用这些技术。近红外光谱(NIRS)已被证明是一种用于各级脑部血肿检测的简便技术，且是CT和MRI扫描的廉价无创的替代方法。然而，存在许多限制使NIRS不能成为黄金标准诊断技术。这些限制包括在头部表面的光学接触问题、选定光源的穿透深度能力以及对患者状况进行实时监测的能力。
而且，目前用于血肿检测的便携式或手持式技术仅具有较差的空间分辨率、较差的穿透深度，并且通常是用于血肿存在的一次性诊断。对血肿的单次扫描和持续监测都是值得关注的应用，且每个领域都有很大的改进空间。急诊室、重症监护室、军事野战医院、救护车等都是血肿监测对病人护理至关重要的地方。此外，术后慢性血肿患者也将从临床环境之外的预测监测中受益颇多。
目前在传感器网络中没有使用NIRS的应用。尽管在该领域缺乏发展，但传感器网络可以提高预测血肿的能力，特别是在由于使用患者身体作为对照而经常遗漏的双侧血肿的情况下。无线传感器网络已经开发用于其它类型的身体传感器，例如EEG。目前，只有一个名为Sensium的商用片上传感器网络接口。然而，由于其主要应用是EEG测量，因此其工作频率和分辨率比NIRS所需的要高得多(且因此功耗更高)。存在使用多芯片解决方案的多种方法，但由于难以定制商用现成(COTS)组件以提供一套有限的特定功能，所以这些方法往往效率低下。因此，如果将这种网络设计用于近红外传感器，现有传感器网络的功率特性可以大大提高。
发明内容
本公开使用廉价、柔性、大面积发光二极管(LED)和光电二极管(PD)提供新型NIRS系统，并且提供与患者头部的适形粘附和对近红外吸收的有效测量。根据某些实施例，使用在NIR光谱中操作的完全印刷的LED和PD，该类NIRS系统具有除血肿感测之外的潜在应用，诸如脉搏血氧仪或夜视。在某些实施例中，提供电路以处理来自位于患者头部上的一个或多个设备的数据并将其无线传输到远程和/或便携式设备。使用多个传感器改善了测量的空间分辨率，并且在便携式设备上的后处理提供了将结果发送给患者的医师的能力，例如通过安全的互联网连接。本文的实施例针对以下原因中的一些或全部提供了相对于当前可用的手持式血肿传感器的改进：(1)柔性光源和传感器更加适形地适合患者头部的能力，(2)多个同时感测位置提供更好的数据可靠性和信噪比(SNR)，以及(3)通过安装的传感器提供连续监测，增加了及时检测血肿的机会。
根据一个实施例，提供了一种可穿戴传感器设备，其通常包括柔性基板以及在柔性基板上形成的有机近红外(NIR)元件阵列，其中所述NIR元件阵列包括至少一个有机NIR光发光元件和至少一个有机NIR光检测元件。在某些方面，该可穿戴传感器设备是血肿检测设备。在某些方面，所述NIR元件阵列包括至少一个有机发光二极管(LED)元件和至少一个有机光电检测器(OPD)元件。在某些方面，所述NIR元件包括NIR LED阵列和NIR OPD阵列。在某些方面，所述柔性基板包括塑料材料。在某些方面，所述塑料材料包括聚酰亚胺(PI)膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)膜中的一种。在某些方面，所述柔性基板包括在柔性背衬层上形成的聚对二甲苯层。在某些方面，该设备还包括在柔性基板或在有机NIR元件阵列上形成的一个或多个印刷电池。在某些方面，该设备还包括用于与远程设备无线通信的发射器和控制元件。在某些方面，所述发射器和控制元件包括低噪声放大器、模数转换器和无线传输电路。在某些方面，所述无线传输电路包括或耦合到在柔性基板上或有机NIR元件阵列上形成的印刷天线元件。
根据另一个实施例，提供了一种传感器网络系统，其通常包括处理单元和至少两个可穿戴传感器设备，每个可穿戴传感器设备包括在柔性基板上形成的有机近红外(NIR)元件阵列，其中所述NIR元件阵列包括至少一个有机NIR发光元件和至少一个有机NIR光检测元件。所述网络系统通常还包括连接至所述至少一个有机NIR光检测元件的无线通信元件，其中所述通信元件接收来自所述至少一个NIR光检测元件的信号并将对应的传感器信号发送到所述处理单元。所述处理单元接收来自至少两个可穿戴传感器设备的传感器信号并将传感器信号和/或从传感器信号得到的数据存储到存储器。在某些方面，所述传感器网络系统是血肿传感器网络系统。在某些方面，每个NIR元件阵列包括至少一个有机发光二极管(LED)元件和至少一个有机光电检测器(OPD)元件。在某些方面，每个柔性基板包括选自聚酰亚胺(PI)膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)膜的塑料材料。
根据另一实施例，提供了用于形成检测设备的方法。该方法通常包括提供柔性基板，以及在柔性基板上形成有机近红外(NIR)元件阵列，其中所述NIR元件阵列包括至少一个有机NIR发光元件和至少一个有机NIR光检测元件。在某些方面，所述检测设备是可穿戴传感器设备。在某些方面，所述检测设备是血肿检测设备。在某些方面，形成阵列包括在柔性基板上印刷所述NIR元件。在某些方面，印刷包括喷墨印刷、丝网印刷和刮涂中的一种或多种。在某些方面，所述柔性基板包括选自由聚酰亚胺(PI)膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)膜组成的组中的塑料材料。在某些方面，形成阵列包括使用光刻技术在柔性基板上形成所述NIR元件。
参考说明书的其余部分，包括附图和权利要求，将认识到本发明的其他特征和优点。参考附图，下文将详细描述本发明的其他特征和优点以及本发明的各种实施例的结构和操作。在附图中，相同的附图标记表示相同或功能相似的元件。
附图说明
详细描述参考附图进行描述。在说明书和附图的不同实施例中使用相同的附图标记表示相似或相同部件。
图1示出了将水、氧合血红素和脱氧血红素的吸收系数作为波长的函数。
图2示出了根据实施例的LED/PD结构的侧视示意图。
图3示出了用于制造设备层的溶液处理技术的对比。
图4示出了便携设备图案化材料。
图5示出了概述PEN和PET的材料性能的简图。
图6示出了根据实施例与远程带式安装处理单元无线连接的血肿传感器的模拟网络。
图7示出了根据实施例的LED、光电二极管和控制电路的系统简图。
图8示出了根据实施例的腕安装传感器处理单元，由电路板印刷天线、COTS RF前端、微控制器、存储器以及用于向医务人员传输数据的802.11收发器。
图9示出了根据实施例由NIR OLED和/或OPD组成的全组装传感器的实例。图9A示出了在柔性PEN基板上的印刷NIR有机LED(OLED)阵列。图9B示出了在柔性PEN基板上的印刷有机光电检测器(OPD)阵列，以及图9C示出了由组装OLED和OPD阵列组成的柔性传感器。
图10示出了根据实施例基于被来自NIR OLED的光激发并从受试者手臂上反射出的OPD信号。
图11示出了传感器上的光反射强度在其每个像素覆盖的区域内如何变化。
具体实施方式
印刷电子技术实现了电路从刚性基板到柔性、适形基板的快速过渡，开创了许多以前不可用的应用，包括部署在身体上的传感器。此外，与印刷电路相关的成本在材料、基板和设备费用方面远低于传统IC。利用这些成熟的工艺，在某些实施例中，印刷的LED和PD被制成在适形基板上以提供能够使用近红外光谱快速检测人脑中血肿的存在的设备。NIRS是检测大脑内几厘米深的血肿的有效技术。NIRS的替代技术是MRI和CT成像，这些技术昂贵得多并且在血肿检测至关重要的许多环境中不可用。NIRS技术通常使用两个大型传感器，分别位于大脑两侧，且患者作为自己的对照。虽然这是有效的，但提高颅骨周围的传感器数量将大大提高血肿映射的空间分辨率。最后，在某些实施例中，传感器设备是柔性的，构建在绷带状的基板上，并且还可以链接到无线网络用于远程和实时监测。单个患者身上的传感器阵列(例如，ASIC传感器)将读数馈送到能够进行信号处理和无线通信的单个处理单元或系统中。本公开提供了对不良光学接触不敏感、高度网络和空间解析以及无线连接以用于实时监视能力的设备实施例。
柔性基板上印刷的LED和PD有利地克服了光学接触限制。印刷设备能够以低得多的制造成本提供足够的性能。此外，与当前技术相比，向柔性基板和柔性技术的转变提供了更高的穿透深度和改善的信噪比(SNR)。此外，血肿感测的空间分辨率通过多个网络补丁得到改善。大面积印刷的LED和PD使得能够容易地制造多传感器绷带，能够以阵列方式将它们连接在一起，以更准确地定位和评估脑内的血肿存在。在一个实施例中，提供了一种无线链接的贴片传感器网络，用于实时监控应用。
早期检测到受伤患者的血肿对预防长期脑损伤可能至关重要，这些伤害会严重降低患者的生活质量或可能导致死亡。
物理学
用于血肿检测的基本原理是大脑中两个通常相同位置的光密度差异。利用脑中预期的生理对称性，血肿检测方案通常使用单个患者作为实验和对照样本，通过比较来自存在于脑两侧的血液中的血红蛋白的反射光的光密度。如方程式1所述，光密度仅仅是传输到脑部的光强度与从脑部反射的光强度之比的度量。如果光密度存在显著差异，则在脑部具有较高光密度读数的一侧存在血肿的可能性很高。
通过将适当波长的光照射到组织(例如脑)中并测量在相同波长处反射的光强度来执行光密度测量。在血液检测应用中，标准方法是确定血液中存在的血红蛋白所反射的光量。如果血液中血红蛋白浓度恒定，则血容量增加会导致血红蛋白计数增加。这增加了光吸收，由具有血肿的脑侧更高的光密度测量值表示。
在进行NIRS测量时，人体中必须考虑的三种主要材料是水、氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白。为了避免混杂响应，为每种材料提供显著不同的吸收系数的测量选择波长至关重要。如图1所示，在700-1000nm范围内的波长是合适的选择。具体而言，约800nm的波长将为氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白提供等同的响应，而来自水的响应几乎不存在。
印刷
现有技术可用的两个主要问题是a)光接触受到非垂直测量的影响，b)测量过程中探测器运动降低SNR。根据各种实施例，为了避免这些问题，将适形设备定位在患者头部上，既固定探针位置又确保垂直于皮肤表面的测量。在某些实施例中使用印刷沉积技术来制造这种设备。凹版印刷、喷墨印刷和丝网印刷以及刮涂为二极管和检测器的设计过程和材料选择提供了灵活性。所有这些组件都很容易在各种能够屈曲、弯曲、拉伸和移位的基板上制造，以适应人头部的各种轮廓。
复用和监测
如上所述，光密度差异是血肿存在的关键指标，这意味着需要至少两次测量才能提供适当的诊断。尽管先前的设备允许在多个位置进行测量，但是不能在不执行多个诊断的情况下在特定的时间段内监测这些位置中的每一个位置。在某些实施例中，提供粘附于颅骨以进行临时监测的设备，其减轻了对患者进行多次耗时测量的需要。此外，无线连接的多台设备实现了连续监测光密度并观察血肿的发展。
传感器电路
目前还没有使用片上系统(SoC)解决方案的其它NIRS系统。在一个实施例中，提供了专用集成电路(ASIC)解决方案，其中需要更少的刚性芯片，这实现了改善的光学接触。此外，SoC解决方案更加功率高效，因为它不需要包含不必要的功能。另外，使用定制的无线通信绕过商用无线协议，这些协议往往具有较高的峰值电流消耗。电源效率和低峰值电流允许使用印刷电池为传感器网络供电。不仅印刷电池适形提供更好的光学接触，而且还消除了将电池固定到皮肤上的安全问题，如化学反应、爆炸和发热。某些实施例采用印刷电池。
推动创新，改善公共卫生
用于血肿存在的实时监测设备将有助于推动基于云计算的患者护理和个人医药行业。例如，医师将有利地能够从远处监测多个患者，并且当光密度测量值超出标称值时可以触发警报，有助于防止一些创伤性的、改变生命的伤害。由于某些设备实施例的成本应当较小，所以该设备可用于简单的筛选测试以及长期监测患有慢性问题的患者和具有血肿风险的术后患者。这种设备还将实现一种低成本、部署在身体上的技术，用于绘制和了解血肿作为各种头部创伤的函数是如何发展的，深化医学知识和促进预防技术。
NIR血肿传感器有可能弥补下一代电子和医疗技术之间的差距。血肿可能逐渐发展而没有症状，直到已经造成永久性损伤。NIRS血肿传感器实施例将为医务人员提供远程和持续监测他们的患者血肿发展的能力。各种设备实施例将减少对昂贵的CT扫描的需要，并为头部损伤和/或手术后处于血肿风险的患者提供低成本和无创可穿戴设备，以提醒他们及其护理人员存在发育中的血肿。血肿的诊断越快，医疗结果就越好。最后，此处用于制造印刷NIR LED和PD的方法实施例对于为其它基于NIRS的医学监测应用(诸如脉搏血氧仪和靶向药物递送)在相似波长下创建印刷设备是有用的。
除了开发印刷LED和PD之外，本公开还提供使用传感器(例如，SoC传感器)的无线网络的NIRS系统。利用NIR测量所需的极低占空比，使用ASIC以及使用定制无线协议，实现极低的功耗预算和最大电流。
LED和PD材料开发
图2示出根据一个实施例的LED/PD结构10的侧视图。如图所示，结构10包括活性层12，例如光响应或光发射材料层，以及阴极层14和阳极层16。所示阴极层14和阳极层16位于活性层12的相对侧上，然而，可以理解，阳极16和阴极14可位于活性层12的相同侧/表面上。可选的孔注入层20和孔阻挡层22也被示出。例如，在设备形成和使用期间，基板18提供结构稳定性。有机和无机材料都已成功开发用于溶液加工的光敏应用中，并且可以用于各种实施例中。在某些实施例中，使用无机材料，因为虽然在可见波长区域中起作用的有机材料是可商购的，但在近红外发射或吸收的有机分子例如铂卟啉难以合成且产率低。在NIR波长中具有发射峰和吸收峰的无机材料具有较高的合成产率，因此比具有类似发射和吸收特性的有机材料更容易获得。一种这样的无机材料包括PbS量子点。PbS量子点是可溶液处理的，可以用作可调发射器或吸收器，峰值发射和吸收波长范围从可见光到红外。量子点的特征波长可以通过适当的量子点半径尺寸控制准确预测，使得量子点成为NIR LED和PD用于血肿传感器应用的优秀材料。
Sun等人已经证明了具有直接电激发的明亮红外量子点LED(QLED)(L.Sun等人，Bright infrared quantum-dot light-emitting diodes through inter-dot spacingcontrol.Nat.Nano.,7:369373,2012)。这些QLED在低电压下工作，辐照度为外部量子效率为2％，峰值发射范围为900-1800nm。这种记录设置的IRQLED性能是通过在量子点表面上设计配体来控制点间间距，有助于设备活性层内的有效电荷传输和辐射引发重组来实现的。为了在800nm处实现类似的QLED操作，使用具有较小半径的PbS量子点以使发射峰蓝移。此外，最近的配体剥离和交换技术[E.L.Rosen等，Exceptionally Mild ReactiveStripping of Native Ligands from Nanocrystal Surfaces by Using MeerweinsSalt.AngewandteChemie,51(3):684-689,2012]可用于改善LED效率。预计这种配体交换方法的适应通过更有效地将更短的配体转移到纳米颗粒表面并减少最可能存在于由Sun等开发的工艺中的油酸污染来提高LED量子效率。
在一个实施例中，QLED具有掺杂PbS/CdS的聚合物活性层12。对于QLED，在一个实施例中使用具有800nm峰值的适当半径的量子点。可从Sigma Aldrich商购获得的聚合物主体聚[2-甲氧基-5-(2'-乙基己氧基-对-亚苯基亚乙烯基)](MEH-PPV)具有比PbS/CdS量子点更低的电离电势，从而在聚合物/QD界面处使电荷分离并形成对空穴传输主导的聚合物有利的传输空穴。在OLED设备的另一个实施例中，发射层12包括由Cambridge DisplayTechnology制造的溶液处理磷光NIR发射体材料。该材料可以用邻二甲苯溶液旋涂或刮涂。对于OPD设备，可以采用PCDTBT：PC71BM(其中PCDTBT是聚合物且PC71BM是富勒烯)溶液或Cambridge Display Technology的NIR吸收体异质结光活性材料旋涂或刮涂活性层材料12。
可用于阴极14的材料包括必须进行蒸发的氟化锂、钙和铝。可以印刷较高功函数的金属，如银，但会对电子电流产生较大的障碍，从而限制设备的性能。在某些实施例中，经Zhou等人证明的聚乙烯亚胺(PEI)表面处理(Y.Zhou，A Universal Method to ProduceLow Work Function Electrodes for Organic Electronics，科学,336(6097):327-332，2012。)用于利用1eV降低银阴极的功函数。对于阳极16，使用氧化铟锡(ITO)。尽管ITO适用于建在玻璃上的设备，但它弯曲时容易开裂，因此可能不是用于柔性设备的理想阳极材料。在某些实施例中，使用诸如PEDOT:PSS之类的有机材料和/或诸如透明导电氧化物之类的无机材料(例如，采用纳米粒子油墨印刷的WO3)或超薄金属层(例如采用有机金属前体油墨印刷的Ag)。高导电性的PEDOT:PSS PH1000油墨可商购获得，且可沉积在银纳米线网状物上。与ITO相比，银纳米线非常导电且在近红外区域具有优异的光学透明度。可以使用其它印刷的透明导电氧化物以及可溶液加工的材料，包括本征氧化物、掺杂氧化物和纳米材料体系。此外，可以使用金膜，因为当以低于10nm的厚度沉积时它们是透明的。
可以使用标准方法制造QLED和PD，例如，将活性层旋涂在基板上并热蒸发顶部接触。
印刷
在一个实施例中，用于形成QLED和OPD的工艺包括例如喷墨印刷和刀片刮涂的印刷技术。诸如阳极和阴极电极14、16的较小区域特征可以通过喷墨印刷采用纳米颗粒油墨沉积，如图3所示。在一个实施例中，使用刮涂方法(参见图3)印刷LED和PD的较大的活性区域。刮涂可用于以最少的源材料打印大面积表面，且已经成功用于LED制造。通过使用计算机控制的致动器使刀片相对于基板移动，同时启动的注射泵在刀片前分配溶液，可以利用刀片刮涂实现无缺陷的均匀和可重复的膜。
为了证明成功的多层溶液处理，使用仔细选择的正交溶剂系统进行逐层制造，以避免先前沉积的层溶解。测试设备阳极图案化将通过应用通过范德华相互作用粘附到基底的凝胶包衣材料来进行，在去除后不在表面留下污染。虽然蒙版，臭氧处理将有选择地改变我们暴露的基板的表面能。接下来，悬s浮在水中的PEDOT:PSS，LED和PD二者的第一层，将利用刀片涂料器印刷。由于通过选择的臭氧处理施加的表面能差异，PEDOT:PSS将仅粘附于基板的亲水区域(参见图4，用于证明自对准PEDOT:PSS)。然后，悬浮在邻二甲苯中的量子点和MEH-PPV或溶解在邻二甲苯(用于LED制造)中的磷光NIR材料或体异质结聚合物：悬浮在有机溶剂(用于PD制造)中的富勒烯掺合物将沉积到PEDOT:PSS上，然后是悬浮在甲氧基乙醇中的PEI。最后，使用导电银油墨沉积阴极层。许多金属油墨需要热活化以建立高导电性，但是大的热处理可能不可逆地损坏已经沉积的量子点层。Magdassi等人已经证明了室温银纳米粒子烧结，缓解了这个问题[46]。在这种方法中，银纳米颗粒在与喷墨印刷的PDAC(一种通过电荷中和以及可能的纳米颗粒稳定剂的解吸附来改变银纳米颗粒的表面性质的聚阳离子材料)接触时自发烧结。该过程导致了具有薄层电阻的非常导电的银膜，而不会伤害PD和LED的活性层。另一种低温兼容的阴极沉积技术包括打印InkTec的银有机金属前体油墨。这种可商购获得的Ag前体油墨可以通过旋涂、凹版印刷或刮涂来沉积。一旦沉积，油墨在120℃退火5分钟后形成高度光滑、反射和导电的膜。
基板
在某些实施例中，为了克服光学接触问题，印刷设备包括柔性基板，有利地是其能够与目标表面相适应。过渡到这样的基板对实际和性能水平都有挑战。例如，在进行印刷过程时，基板的表面能量将决定各种油墨的关键尺寸。咖啡环效应也取决于表面能量，并导致油墨中的颗粒材料朝沉积部件的周边重新分布。因此，基板的表面能量将决定油墨的润湿/扩散程度以及沉积材料将如何分布，这两者都将影响设备性能和使用寿命。此外，基板选择可能会限制后续处理步骤的热预算。例如，对于基于纳米粒子的金属油墨，热处理对于在基板上建立高导电路径是必需的，但是这些热处理应设计成在基板的玻璃化转变温度以下能成功烧结膜。
为了减少一些表面特性问题，将聚对二甲苯的薄层沉积到基板上以改善印刷性能和特征形态。在某些实施例中，低烧结温度纳米粒子油墨，例如金墨和银墨，可用于许多材料体系。
用于溶液加工电子元件的有用柔性基板材料包括聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)。PET和PEN是杜邦公司生产的市售基板。由于它们的半结晶性质，PET和PEN具有较低的热膨胀系数，并且是热稳定的，以扩大加工温度限制。这使它们对在设备阳极制造期间(例如烧结银纳米颗粒、PEDOT：PSS干燥等)基板将经历暴露于高温的某些应用具有吸引力。图5示出了PEN和PET材料之间性能对比，来自W.A.MacDonald等人，Latest advances in substrates for flexible electronics,Journal of theSID,15(12):1075-1083,2007。如图所示，PEN具有较高的温度限制，并且刚性仅比PET稍微高一点。
随着近年来以生物为中心的电子应用获得了发展，对皮肤安装电子产品的新重视产生了许多新材料和加工技术。对于某些实施例，围绕规则的曲率半径弯曲的能力对于保持高保真度光学接触是重要的。良好的基板材料将能模仿人体皮肤的机械性能，并强有力地粘附在皮肤上，同时仍允许氧气和水分通过该材料传输。表皮电子学平台通过人类表皮与基质材料之间的范德华相互作用进行结合，已开发出聚酯(D.H.Kim等，EpidermalElectronics.科学，333(6044)：838-843,2011。)。
用于实时监控应用的无线链接补丁网络
在一个实施例中，为了控制LED，处理来自光电二极管的信息，并将该信息传输给医生；提供了各种控制和通信电路。
电路技术注意事项
在某些实施例中，使用包括商用货架产品(COTS)组件的板级设计和/或使用专用集成电路(ASIC)。NIRS传感器是ASIC使用的有吸引力的候选者有几个原因。ASIC的优点之一是其功率效率。与被迫使用具有额外功能的组件(以及因此额外的功率消耗)的COTS解决方案不同，ASIC可能具有更小的功率预算。保持NIR传感器高效率的动机之一是低总体功耗和小瞬态电流尖峰使得使用印刷电池为血肿传感器供电成为可能。印刷电池是一种有吸引力的电源，因为由于化学泄漏和发热的可能性，许多人不愿将常规电池放在皮肤上。此外，由于印刷的LED需要5V电压，而小型电池的典型电压为1.5V，即使采用高效的1:2片上DC-DC转换器，也需要多个电池为每个传感器供电。使用多个刚性电池会降低传感器的灵活性，从而损害光学接触。在印刷的LED/PD的顶部上使用印刷电池层有利地允许传感器符合头骨的形状。
低功率ASIC不仅可以提供印刷电池电量，与COTS板相比，芯片数量减少提高了柔性。例如，典型的无线传感器可能需要十个或更多芯片以及支持无源元件。即使这些芯片安装在柔性PCB上，它们也比本文公开的ASIC解决方案所需的单芯片柔性差得多。基于对功率效率、使用印刷电池的能力以及减少的芯片数量的考虑；完全ASIC NIR传感器接口将有利地提供改进的光学接触并且将作为身体传感器网络领域中的重要创新。
头戴式NIR传感器接口电路
如图6所示，血肿感测网络100的实施例包括两个部件：小型头戴式NIR传感器110的网络和从传感器110接收信息的处理单元120。处理单元120可以直接耦合到传感器110，或者它可以远程(例如，无线地)耦合到传感器110。处理单元120可以传输卫生保健提供者可以例如在手机或计算机系统上远程访问的患者统计数据。如上所述，在一个实施例中，头戴式传感器接口可以在包括印刷电池的ASIC中实现。图7是根据一个实施例示出了NIR传感器110的组件的系统级框图。以下部分将讨论构成传感器110的电源系统、光电二极管和LED接口电路116、定制通信协议和天线114的实施方式。
电源系统：电力由一个或多个印刷电池112提供。在一个实施例中，使用主要的银锌电池。这种电池在1.5V时的能量密度约为为了提供足够的照明，实验表明，印刷的LED在5V工作，在工作期间耗散2-4mW。除LED之外，电池还应为传感器ASIC供电。ASIC将消耗2.5mW至5mW的量级。由于采用降压型DC-DC转换器，这相当于传输过程中电池的功耗约为1.25mW至2.5mW。血肿传感器相对于其它身体传感器(例如EEG)的优点之一是它们需要非常低的采样频率(大约1Hz)。这意味着诸如LED脉冲和传感器传输等功率密集型工艺可能会在很短时间内发生，并且会在不同的时间发生，这会降低电池的峰值电流。总的来说，在任何时间需要由电池提供的最大功率小于5mW，并且如下所示，待机功率大约为10μW，可以使用印刷电池来实现。
为了获得足够高的电压以从1.5V电池向LED供电，在一个实施例中，两个电池与片上DC-DC电压转换器串联使用。电压倍增器和半桥是高效的DC-DC转换器配置，实现高达80％的效率。该配置将提供6V，这足以为LED供电。此外，应用于3V电池输入的电压单脚(voltage halfer)为AISC提供1.5V电源。
光电二极管接口如图7所示，用于接收和处理从脑反射的光的光电二极管接口中的组件包括用于升高输入光电二极管信号的低噪声放大器(LNA)。由于采样频率可能较低，因此信号通过低通滤波器以消除高频噪声。模数转换器(ADC)然后将信号数字化，以便可以将其传递到控制单元中进行传输。
定制通信协议一旦信号已经数字化以用于传输，就必须使用适当的通信协议。对于低传输频率/低功耗应用，典型的COTS解决方案是ZigBee Rx/Tx芯片。德州仪器提供了ZigBee RF收发器的例子。该芯片的一个问题是它(和大多数ZigBee芯片)需要约40mW的接收功率和70mW的发射功率，这对使用印刷电池来说可能是不可行的。因此，在一个实施例中，使用工作在900MHz的定制通信协议。许多SOC包括为该频率的身体传感器网络的定制通信协议。例如，可以使用863-928MHz频带中的OOK协议。
在一个实施例中，利用血肿传感器需要非常不频繁地传输的事实，采用智能唤醒协议来降低功耗并延长电池寿命。例如，可以使用用于控制传感器唤醒和低频传输请求的永远在线的无源RF监控系统。使用这样的设计，可以实现小于20μW的有源待机功耗。使用这种低功耗唤醒程序，利用低功率密度的印刷电池可能能够延长电池寿命。
天线114：在900MHz时，可以制作片上天线。然而，在一个实施例中，印刷天线形成在柔性基板上。为了将相对各向同性的信号传输5-10米(这对于身体传感器网络来说绰绰有余)，可以使用在2.8厘米至4厘米范围内的天线占用面积，这完全在其它印刷组件的空间边界内，且可以很容易地适合颅骨轮廓。
LED控制器：在一个实施例中，来自处理单元120的唤醒信号用于用信号通知血肿测量的开始。该测量从LED启用开始。可以实现众所周知的LED控制电路。
远程数据处理单元
对于差别血肿读数，上述多个血肿传感器110可以安装在患者的头部。来自这些传感器的数据可以例如以900MHz传输到较大的远程(例如，腰部安装的)处理单元120。处理单元120的实施例的系统级视图在图8中示出。PCB印刷天线接收来自传感器110的信号并且将信号发送到RF(例如，COTS RF)前端121，诸如TIs Sub-1GHz RF前端，可以在850-950MHz频带中接收。本地振荡器(LO)为收发器提供时钟和微控制器122，其执行信号处理，例如识别哪些传感器正在发送，比较来自这些传感器的数据以产生OD读数，将数据存储在存储器(例如闪存存储器)123中，以及发信号通知RF前端向蜂窝设备发送信息，例如经由802.11协议或其它无线协议。该802.11传输可以由COTS wifi芯片执行，例如TIs WL1271TiWi，其被设计用于医疗应用并且具有20dBm的传输功率。该整个系统可以由标准电池供电。
图9示出了由NIR OLED和OPD组成的完全组装的传感器的实例，已经证明，当通过在人的上臂上膨胀血压袖带引发局部缺血时，成功感测人前臂中血液水平的变化。图9A示出了在柔性PEN基板上的印刷NIR有机LED(OLED)阵列，图9B示出了在柔性PEN基板上的印刷有机光电检测器(OPD)阵列，以及图9C示出了由组装OLED和OPD阵列组成的柔性传感器。图10示出了由来自对象手臂反射的来自NIR OLED的光激发时的OPD信号。当血压袖带膨胀时，手臂的血液供应被切断，产生局部缺血；这通过OPD信号在约40至160秒之间的减少来显示。在大约160秒时，血压袖带被释放且血流恢复到手臂，如OPD信号的增加所示。这证明了由印刷的NIR OLED和OPD组成的柔性传感器能够测量体内血流量的变化，这是血肿感测所需的。图11示出了传感器上的光反射强度在其每个像素覆盖的区域内如何变化。该功能可用于查找人颅骨上血肿的位置。
本文引用的所有参考文献(包括公开、专利申请和专利)均通过引用并入本文，其程度如同每篇参考文献被单独且具体地指出通过引用并入并在此全部阐述。
在描述所公开的主题(特别是在下面的权利要求书的上下文中)中使用术语“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”以及“至少一个”和类似的指示对象应解释为覆盖单数和复数，除非本文另外指出或与上下文明显矛盾。术语“至少一个”以及一个或多个项目的列表(例如，“A和B中的至少一个”)的使用应解释为表示从列出的项目(A或B)或两个或更多所列项目(A和B)的任何组合，除非本文另外指出或与上下文明显矛盾。除非另有说明，否则术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应理解为开放式术语(即，意指“包括但不限于”)。本文中数值范围的叙述仅仅意在作为单独指代落入该范围内的每个单独数值的简写方法，除非在此另外指出，且每个单独的数值被合并到说明书中，就好像它在此单独列举一样。在此描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非在此另有指示或者与上下文明显矛盾。除非另有要求，否则本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地阐述所公开的主题，且不会限制本发明的范围。说明书中的任何语言都不应解释为表明任何未要求保护的元素对于本发明的实践是必不可少的。
这里描述了示例性实施例。在阅读了前面的描述之后，那些实施例的变化对于本领域的普通技术人员而言将变得显而易见。本发明人期望技术人员适当地采用这样的变化，并且发明人希望以不同于本文具体描述的方式来实施实施例。因此，如适用法律所允许的，本公开包括所附权利要求中记载的主题的所有修改和等同物。此外，除非在本文中另外指出或者明显与上下文矛盾，否则本公开内容包括其所有可能变型中的上述元件的任何组合。

Claims (19)

1.一种血肿检测设备，包括：
柔性基板；
在柔性基板上形成的有机近红外(NIR)元件阵列，其中所述NIR元件阵列包括至少一个有机NIR发光元件和至少一个有机NIR光检测元件。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述NIR元件阵列包括至少一个有机发光二极管(LED)元件和至少一个有机光电检测器(OPD)元件。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述NIR元件包括NIR LED阵列和NIR OPD阵列。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述柔性基板包括塑料材料。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述塑料材料包括聚酰亚胺(PI)膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)膜中的一种。
6.根据权利要求4所述的设备，其中所述柔性基板包括在柔性背衬层上形成的聚对二甲苯层。
7.根据权利要求1所述的设备，还包括在柔性基板或在有机NIR元件阵列上形成的一个或多个印刷电池。
8.根据权利要求1所述的设备，还包括用于与远程设备无线通信的发射器和控制元件。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述发射器和控制元件包括低噪声放大器、模数转换器和无线传输电路。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述无线传输电路包括或耦合到在柔性基板上或在有机NIR元件阵列上形成的印刷天线元件。
11.一种血肿传感器网络系统，包括：
至少两个可穿戴传感器设备，每个可穿戴传感器设备包括：
在柔性基板上形成的有机近红外(NIR)元件阵列，其中所述NIR元件阵列包括至少一个有机NIR发光元件和至少一个有机NIR光检测元件；以及
连接至所述至少一个有机NIR光检测元件的无线通信元件，其中所述通信元件接收来自所述至少一个NIR光检测元件的信号并将对应的传感器信号发送到一处理单元；以及
所述处理单元，其中该处理单元接收来自至少两个可穿戴传感器设备的传感器信号并将传感器信号和/或从传感器信号得到的数据存储到存储器。
12.根据权利要求11所述的系统，其中每个NIR元件阵列包括至少一个有机发光二极管(LED)元件和至少一个有机光电检测器(OPD)元件。
13.根据权利要求11所述的系统，其中每个柔性基板包括选自由聚酰亚胺(PI)膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)膜组成的组中的塑料材料。
14.一种形成血肿检测设备的方法，该方法包括：
提供一柔性基板；以及
在柔性基板上形成有机近红外(NIR)元件阵列，其中所述NIR元件阵列包括至少一个有机NIR发光元件和至少一个有机NIR光检测元件。
15.根据权利要求14所述的方法，其中形成阵列包括在柔性基板上印刷所述NIR元件。
16.根据权利要求15所述的方法，其中印刷包括喷墨印刷、丝网印刷和刮涂中的一种或多种。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述柔性基板包括选自由聚酰亚胺(PI)膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)膜组成的组中的塑料材料。
18.根据权利要求14所述的方法，其中形成阵列包括使用光刻技术在柔性基板上形成所述NIR元件。
19.一种可穿戴传感器设备，包括：
柔性基板；
在柔性基板上形成的有机近红外(NIR)元件阵列，其中所述NIR元件阵列包括至少一个有机NIR发光元件和至少一个有机NIR光检测元件。
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