CN111803083A - 一种基于钙钛矿发光二极管的无创血氧检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于钙钛矿发光二极管(PeLED)的无创血氧检测装置，所述无创血氧检测装置的发射光源由红光PeLED和近红外PeLED组成，其中，PeLED可根据需要采用溶液法制备成各种形状和面积，可实现柔性器件并且制备工艺简单。由PeLED光源、控制器模块、光电转换模块和放大滤波电路组成的无创血氧检测装置可实时监测人体血氧饱和度，并且由于发射光源的像素点之间分布均匀且间距较小，可提高检测信号精度，也可像创可贴一样替换，避免仪器污染，做到低成本、微型的可穿戴血氧检测仪。
Description
技术领域
本发明涉及血氧检测装置，尤其涉及的是一种基于钙钛矿发光二极管的无创血氧检测装置。
背景技术
人体生命活动新陈代谢的过程中氧占据着不可或缺的位置，它和血液中的血红蛋白相结合并将血液作为载体传送到全身的细胞中。而血氧饱和浓度值(SaO2)是人体生命体征最重要的参数之一，它是人体血液中同氧结合后的血红蛋白的实际合量与血红蛋白总数的百分比，是判断人体是否缺氧的重要健康参数。
血氧饱和度检测主要分为有创检测和无创检测两种方式。传统的有创血氧检测方法是先对人体进行采血，再利用血气分析仪进行电化学分析，这种方式给患者带来创口且极易感染，而且无法实时、连续地对病人进行检测，因此开发一种对患者无创伤、结果准确、可实时快速检测的血氧饱和浓度仪具有很高的实际应用价值。美国科学家Robert F.Shaw在1964年开发出了第一种可实现临床诊断的血氧饱和浓度计。然而，其研发的仪器构造笨重、体积巨大、对耳垂测试的承接探头结构非常复杂，使患者长时间处于不舒适的状态，并且仪器精密极易损坏，价格昂贵，限制了其商业化应用。
目前血氧检测仪普遍使用无机LED作为发射光源，但是无机LED制备工艺复杂，不利于制备成柔性器件，并且像素点之间间距较大，难以实现发光均匀、更贴合人体的可穿戴设备。有机和量子点LED可采用溶液法制备实现柔性器件，但是由于近红外LED的发光效率不高，所以不能使用近红外和红光两束光线进行计算，增加了算法的难度，应用也具有一定的限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种基于钙钛矿发光二极管的无创血氧检测装置。
本发明的技术方案如下：
一种基于钙钛矿发光二极管(PeLED)的无创血氧检测装置，其发射光源由红光PeLED和近红外PeLED组成，其中，PeLED可采用溶液法制备成各种形状和面积，具有电光转换效率高、成本低、可实现柔性大面积器件的优势，从而可提高血氧检测装置的检测信号精度，做到低成本、微型的可穿戴血氧检测仪。
所述的无创血氧检测装置，包括控制器模块、红光和近红外PeLED光源、光电转换模块、放大滤波电路；控制器模块发出两列周期性的脉冲信号，分别发送到红光PeLED、近红外PeLED，周期性脉冲信号分时发送，使得近红外PeLED、红光PeLED按照预设规律亮灭；红光PeLED、近红外PeLED固定在人体待检测位置的一端，光电转换模块正对于红光PeLED、近红外PeLED固定在人体待检测位置的另一端，近红外和红光分时透过人体待检测位置，光电转换模块接收到光强随着脉搏改变的光信号，并将其转化成相应的电脉冲，经过跨阻放大器放大、滤波器滤波、稳压器稳定后送入采样电路中，控制模块根据所采到的数据进行计算，计算出血氧检测值后，送到显示器进行显示。
所述的无创血氧检测装置，红光PeLED、近红外PeLED分别为620nm-710nm和760nm-850nm的钙钛矿发光二极管。
所述的无创血氧检测装置，控制器模块采用STM32单片机，STM32单片机发出两列周期性的脉冲信号。
所述的无创血氧检测装置，红光PeLED的钙钛矿前驱体溶液是通过将NH2C4H8COOH(5AVA)、NH2CH＝NH2I(FAI)、NH2CH＝NH2Br(FABr)、CsI、PbI2、PbBr2以摩尔比0.3:0.4:0.5:1:0.6:0.4溶解在1ml的DMF和DMSO的混合溶剂(VDMF/VDMSO＝8)中得到的，钙钛矿前驱体溶液的质量分数为7％，加热搅拌1h。
所述的无创血氧检测装置，近红外PeLED的钙钛矿前驱体溶液是通过将5AVA:FAI:PbI2以摩尔比为0.7:2.4:1溶解在DMF溶液中得到的，钙钛矿前驱体溶液的质量分数为7％，加热搅拌1h。
采用上述方案，本发明具有以下有益效果：
1.采用钙钛矿发光器件作为血氧检测仪的光源，器件可以通过旋涂、喷墨打印、蒸镀的方式根据需要制备成各种形状和面积，制备工艺简单、成本低，并可实现柔性器件，像素点之间分布均匀并间距较小，可提高信号精度。可以像创可贴一样替换，避免仪器污染，做到微型的血氧检测仪。
2.测试光源采用620nm-710nm和760nm-850nm，可以简化计算。
3.设计了精准的时序控制，使红光和近红外光器件交替发光。提高器件的使用寿命，降低了功耗。电路设计采用稳压电路对器件两端和整个电路进行稳压，增大了系统测试的稳定性。
4.无创血氧检测探头便携轻巧，同时操作简单，可以满足在家庭实时检测血氧饱和度的要求，并可将数据通过网络传输到医院端。
附图说明
图1为本发明无创血氧检测装置原理框图；
图2为本发明无创血氧检测装置电路原理图；
图3为本发明近红外钙钛矿发光器件的外量子效率-电流密度关系曲线图；
图4为本发明红光钙钛矿发光器件的外量子效率-电流密度关系曲线图；
图5为本发明LED的发光光谱与含氧/不含氧血红蛋白吸光系数的对比图，a吸光系数，b近红外和红光钙钛矿发光器件的电致发光光谱；
图6为STM32单片机的电路图；
图7为钙钛矿器件与电位器的电路图，a红光钙钛矿器件，b近红外钙钛矿器件；
图8为L7805CD2T线性稳压器电路图；
图9为AMS1117线性稳压器电路图；
图10为放大滤波电路模块电路图；
图11为基于钙钛矿LED的血氧检测波形图；
图12为基于钙钛矿LED血氧检测装置与商用血氧检测装置测试的血氧饱和度的对比图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
参考图1和图2，一种基于钙钛矿发光二极管的无创血氧检测装置，包括控制器模块、红光PeLED、近红外PeLED、光电转换模块、放大滤波电路；控制器模块采用STM32单片机，STM32单片机分别发出两列周期性的脉冲信号，分别发送到近红外和红光钙钛矿发光器件(近红外PeLED、红光PeLED)，周期性脉冲信号分时发送，使得近红外PeLED、红光PeLED按照预设规律亮灭；测量时，将手指伸入指套，动脉周期性搏动，随后近红外和红光分时透过手指指尖，光电转换模块(光电二极管)接收到光强随着脉搏改变的光信号，并将其转化成相应的电脉冲，经过跨阻放大器放大、滤波器滤波、稳压器稳定后送入采样电路中，STM32单片机根据所采到的数据进行计算，计算出血氧检测值后，送到显示器进行显示。
近红外光和红光在实验过程中分时传送，这样不会互相影响或干扰，提高信号的精确度，同时信号以脉冲的方式进行传输发送还能够尽可能降低钙钛矿发光器件的功耗，延长使用寿命。
(1)LED器件制备
钙钛矿发光器件结构包括阴极层(氧化铟锡，ITO导电玻璃，ITO膜的方块电阻为15Ω/□，膜厚为100-200nm)、电子传输-空穴阻挡层(ZnO/PEIE，膜厚为30nm)、发光层(钙钛矿，膜厚为20-50nm)、空穴传输-电子阻挡层(TFB，膜厚为30-60nm)、缓冲层(MoO3，膜厚为7nm)、阳极层(Au，膜厚为60nm)。
首先，利用丙酮、乙醇溶液对ITO导电玻璃分别超生清洗两次，处理后用氮气吹干，将ITO迅速转移至氧等离子清洗机内，在真空条件下对其进行氧等离子清洗10min，提高表面浸润性并去除表面附着的有机物。以4000rpm，45s的条件在ITO表面旋涂ZnO溶液，再进行150℃的热退火处理30min；以5000rpm，50s的条件在ZnO薄膜表面旋涂PEIE溶液，再进行100℃的热退火处理10min，PEIE可以提高ZnO表面浸润性有助于钙钛矿成膜，同时有效降低了ZnO表面功函有助于电子的注入；将ZnO/PEIE薄膜转移至无水无氧的手套箱内，以3000rmp，45s的条件旋涂DMF溶液，控制绝缘层PEIE的厚度。然后以4000rpm，45s的条件旋涂钙钛矿前驱体溶液，在旋涂过程中利用CB进行反溶剂清洗，再进行100℃的热退火处理30min；然后以2000rpm、45s的条件旋涂TFB；将制备好的薄膜转移到真空热蒸镀仪中，抽真空到压强小于2.0×10-4Pa时，开始蒸镀MoO3及Au。
红光钙钛矿前驱体溶液的制备：
将NH2C4H8COOH(5AVA)、NH2CH＝NH2I(FAI)、NH2CH＝NH2Br(FABr)、CsI、PbI2、PbBr2以摩尔比0.3:0.4:0.5:1:0.6:0.4溶解在1ml的DMF和DMSO的混合溶剂(VDMF/VDMSO＝8)中得到的，钙钛矿前驱体溶液的质量分数为7％，加热搅拌1h。
近红外钙钛矿前驱体溶液的制备：
将5AVA:FAI:PbI2以摩尔比为0.7:2.4:1溶解在DMF溶液中得到的，钙钛矿前驱体溶液的质量分数为7％，加热搅拌1h。
近红外和红光PeLEDs性能如图3和图4所示。近红外和红光PeLEDs的外量子效率(EQE)分别可以达到19.7％和4.9％，具有较高的电光转换效率。从图5所示的器件发光光谱可以看出，制备的近红外和红光PeLEDs的发光峰分别位于800nm和660nm，其中800nm处含氧血红蛋白和不含氧血红蛋白的吸光系数差别很小，而660nm处其差别较大，这样有助于增大测试的灵敏度。
(2)STM32单片机模块
图6为STM32单片机的电路引脚图。引脚定义：1-E5V功能：接5V电压，2-PG5功能：SWLED 1红光led驱动端口正极，3-PG4功能：SW LED 2近红外led驱动端口正极，4-PG6功能：VLED 1红光led驱动端口负极，5-PG7功能：V LED 2近红外led驱动端口负极，6-PF12功能：OPD Out光敏二极管信号输出端口，7-GND功能：接地。STM32单片机驱动端口接在近红外PeLED、红光PeLED分别和电位器组成的两个串联电路的两端，分时控制近红外PeLED、红光PeLED的通断，STM32的信号接收端口接收经过放大滤波后的光电二极管发出的电信号，并对电信号进行采样和计算。
(3)钙钛矿发光器件和电位器串联电路模块
图7为钙钛矿器件与电位器的电路结构示意图，PeLED与3296W电位器的串联电路，PeLED由STM32单片机控制，PeLED和电位器的串联电路两端接单片机相应端口，为PeLED供电，电位器的三极管同PeLED串联，电位器最大电阻10KΩ，通过调节电位器阻值控制加载在PeLED上的电压。
(4)L7805CD2T线性稳压器模块
图8为L7805CD2T线性稳压器，用于稳定系统电源电压，输出稳定的5V电压，使得电源输出的电压始终保持在稳定的状态，可以大大降低功耗，增加血氧测试系统的抗干扰性能，降低噪声。
(5)AMS1117线性稳压器电路模块
图9为AMS1117线性稳压器电路，包括两组AMS1117线性稳压器，分别为近红外PeLED、红光PeLED提供3.3V工作电压；PeLED的正常工作电压为2.5V～3.5V之间，所以采用AMS1117线性稳压器降低加载在PeLED两端的电压，使器件工作在正常电压下，延长器件的使用寿命。AMS1117线性稳压器输入5V电压，输出3.3V电压。
(6)放大滤波电路模块
图10为放大滤波电路，放大滤波电路将光电二极管接收到的透射光随脉动周期性变化的波形进行放大以及滤除其中的直流分量，之后将信号传送到STM32单片机中进行计算。
测试时，将660nm和800nm的钙钛矿发光器件作为光源放在手指一侧，通过STM32控制器件发光通断，光电二极管接收透过手指后的光，并将光信号转变为电流信号，经过跨阻放大器将信号放大滤波并稳定传输到STM32单片机中进行计算，最终显示出实时的血氧浓度值。图11为基于钙钛矿LED的血氧检测波形图，通过计算得到血液中含氧量大于等于95％为正常指标。图12为基于钙钛矿LED血氧检测装置与商用血氧检测装置测试的血氧饱和度的对比图，可以发现本发明中基于钙钛矿LED的血氧检测装置测试的数据与商用血氧检测装置的基本一致。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于钙钛矿发光二极管(PeLED)的无创血氧检测装置，其特征在于，所述无创血氧检测装置的发射光源由红光PeLED和近红外PeLED组成，其中，PeLED可采用溶液法制备成各种形状和面积，具有电光转换效率高、成本低、可实现柔性大面积器件的优势，从而可提高血氧检测装置的检测信号精度，做到低成本、微型的可穿戴血氧检测仪。
2.根据权利要求1所述的无创血氧检测装置，其特征在于，所述无创血氧检测装置包括控制器模块、红光和近红外PeLED光源、光电转换模块、放大滤波电路；控制器模块发出两列周期性的脉冲信号，分别发送到红光PeLED、近红外PeLED，周期性脉冲信号分时发送，使得近红外PeLED、红光PeLED按照预设规律亮灭；红光PeLED、近红外PeLED固定在人体待检测位置的一端，光电转换模块正对于红光PeLED、近红外PeLED固定在人体待检测位置的另一端，近红外和红光分时透过人体待检测位置，光电转换模块接收到光强随着脉搏改变的光信号，并将其转化成相应的电脉冲，经过跨阻放大器放大、滤波器滤波、稳压器稳定后送入采样电路中，控制模块根据所采到的数据进行计算，计算出血氧检测值后，送到显示器进行显示。
3.根据权利要求1所述的无创血氧检测装置，其特征在于，红光PeLED、近红外PeLED分别为620nm-710nm和760nm-850nm的钙钛矿发光二极管。
4.根据权利要求1所述的无创血氧检测装置，其特征在于，控制器模块采用STM32单片机，STM32单片机发出两列周期性的脉冲信号。
5.根据权利要求3所述的无创血氧检测装置，其特征在于，红光PeLED的钙钛矿前驱体溶液是通过将NH2C4H8COOH(5AVA)、NH2CH＝NH2I(FAI)、NH2CH＝NH2Br(FABr)、CsI、PbI2、PbBr2以摩尔比0.3:0.4:0.5:1:0.6:0.4溶解在1ml的DMF和DMSO的混合溶剂(VDMF/VDMSO＝8)中得到的，钙钛矿前驱体溶液的质量分数为7％，加热搅拌1h。
6.根据权利要求3所述的无创血氧检测装置，其特征在于，近红外PeLED的钙钛矿前驱体溶液是通过将5AVA:FAI:PbI2以摩尔比为0.7:2.4:1溶解在DMF溶液中得到的，钙钛矿前驱体溶液的质量分数为7％，加热搅拌1h。
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