TWI762142B - 單色有機發光二極體血氧脈搏偵測裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種單色有機發光二極體血氧脈搏偵測裝置，包含一訊號處理電路板，一血氧脈搏偵測單元電性連接於訊號處理電路板，一示波器電性連接於該訊號處理電路板，以及一供電單元電性連接於血氧脈搏偵測單元；血氧脈搏偵測單元包含一第一光源與一第二光源，第一光源為一有機發光二極體，且第二光源為該有機發光二極體搭配一色轉換層所製備；藉此，本發明僅需使用單色的有機發光二極體，便可發出兩種顏色的光，以製備血氧脈搏偵測裝置。
Description
本發明關於一種單色有機發光二極體血氧脈搏偵測裝置，係以單色有機發光二極體製成。
脈搏及血氧是人體基本的生理訊號，且也是常規醫療中會檢測的基礎生理訊號，目前已開發出非侵入式的脈搏與血氧量測裝置，以提供人體基本的健康與生理狀況。又，目前已有多種穿戴式裝置，包含各種健康手環或手表，能藉由藉由以發光二極體(LED)光束照射皮膚並偵測血液流動變化，計算出穿戴者當時的心跳速率以及血氧狀況，使穿戴者可以隨時監控自身的身體狀況。
現有已有使用有機光電元件取代常見的無機發光元件，研發穿戴式偵測裝置，以製作出可撓式血氧脈搏偵測裝置，以供日常配戴使用、或是可應用於不同部位的量測；但是目前的穿戴式血氧脈搏偵測裝置，雖然單色發光二極體可以量測脈搏，但必須使用兩種光色的發光二極體才可量測血氧，例如使用綠光發光二極體搭配紅光發光二極體，或是使用紅光發光二極體搭配紅外光發光二極體；但是因為有機發光二極體製程的特殊性，並不容易圖形化，因此多彩的有機發光二極體的設計會大幅提高生產成本。
今，發明人有鑑於現有以發光二極體偵測血氧與脈搏的裝置於實際使用時仍有不足之處，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。
本發明關於一種單色有機發光二極體血氧脈搏偵測裝置，包含一訊號處理電路板，一血氧脈搏偵測單元電性連接於該訊號處理電路板，一示波器電性連接於該訊號處理電路板，以及一供電單元電性連接於該血氧脈搏偵測單元；血氧脈搏偵測單元包含一第一光源與一第二光源，其中第一光源為一有機發光二極體，且第二光源為該有機發光二極體搭配一色轉換層所製備。
於本發明之一實施例中，第二光源係將一色轉換層設置於有機發光二極體之一發光面上。
於本發明之一實施例中，第一光源為一綠光有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode，後簡稱OLED)，且第二光源為該綠光有機發光二極體搭配一色轉換層所製備。
於本發明之一實施例中，色轉換層係為一紅色的色轉換層。
於本發明之一實施例中，色轉換層的製備方法包含：製作一聚二甲基矽氧烷聚合物片體，再將該聚二甲基矽氧烷聚合物片體以一紅色染料染色，以獲得該色轉換層。
於本發明之一實施例中，紅色染料為DCJTB (4-(Dicyanomethylene)- 2-tert-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethy-ljulolidin-4-yl-vinyl)-4H-pyran)或是DCQTB((E)-2-(2- tert-Butyl-6-(2-(2,6,6-trimethyl-2,4,5,6-tetrahydro-1H-pyrrolo[3,2,1-ij]quinolin-8-yl)vinyl)-4H-pyran-4-ylidene)malononitrile))。
於本發明之一實施例中，色轉換層的製備方法係將一染料加入高分子材料中，再成型後製成。
於本發明之一實施例中，綠光有機發光二極體的發光層是以一PVK:PBD:I(mppy)
3材料所製備。
於本發明之一實施例中，第一光源為一紅光有機發光二極體，且該第二光源為該紅光有機發光二極體搭配一近紅外光色轉換層所製備。
於本發明之一實施例中，色轉換層的厚度介於0.001 mm~5 mm之間。
藉此，本發明之單色有機發光二極體血氧脈搏偵測裝置，只需使用一種單色的OLED，再搭配色轉換層，便可以達到發出雙色光的目的，製作更為簡單且成本更低。
為令本發明之技術手段其所能達成之效果，能夠有更完整且清楚的揭露，茲詳細說明如下，請一併參閱揭露之圖式。
本發明關於一種單色有機發光二極體血脈博偵測裝置，包含一訊號處理電路板，一血氧脈搏偵測單元電性連接於訊號處理電路板，一示波器(Oscilloscope)電性連接於訊號處理電路板，以及一供電單元電性連接於血氧脈搏偵測單元；血氧脈搏偵測單元包含一第一光源與一第二光源，其中第一光源為一有機發光二極體，且第二光源為該有機發光二極體搭配一色轉換層所製備。
本發明所使用的單色有機發光二極體血脈博偵測裝置，第一光源可為綠色OLED或是紅色OLED；使用綠色OLED做為第一光源時，第二光源便是以綠光OLED搭配紅色的色轉換層所製備；若使用紅色OLED做為第一光源，第二光源便是使用該紅色OLED搭配一近紅外光色轉換層所製備。此外，本發明使用的綠色OLED或是紅色OLED並不欲限定所使用的種類，只要是可以發出綠光或是紅光的OLED，皆在本發明欲保護的範疇內。
此外，藉由下述具體實施例，可進一步證明本發明可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍。
請參見第一圖，為本發明單色有機發光二極體血氧脈搏偵測裝置的示意圖，本發明單色有機發光二極體血氧脈搏偵測裝置包含一訊號處理電路板(1)，一血氧脈搏偵測單元(2)電性連接於該訊號處理電路板(1)，以及一示波器(3)電性連接於該訊號處理電路板(1)；其中血氧脈搏偵測單元(2)設有第一光源(21)與一第二光源(22)，其中第一光源(21)為一有機發光二極體(OLED)，且第二光源(22)係為該有機發光二極體搭配一色轉換層所製備；此外血氧脈搏偵測單元(2)電性連接於一供電單元(4)，供電單元(4)提供血氧脈搏偵測單元(2)運作所需的電力，包含使第一光源(21)與第二光源(22)發光。
於進行測試時，可以將血氧脈搏偵測單元(2)的第一光源(21)與第二光源(22)設置於一夾子上，以夾住並固定於受試者的手指上。
於本案以下的實施例中，訊號處理電路板(1)是使用PhysioLab PPG-KIT V3.7電路板(後簡稱PPG電路板)，第一光源(21)為綠色OLED，第二光源(22)則是於該綠色OLED的發光面上設置一紅色的色轉換層，其製作步驟與後續的血氧測試請參見以下的實施例。
一、第一光源與第二光源的製作與分析
(一)、製作流程
請參見第二圖(A)，本實施例使用一綠光OLED作為第一光源(21)，綠光OLED具有一氧化銦錫(ITO)玻璃基板(211)做為陽極，於ITO玻璃基板(211)的一側設置陽極緩衝層(212)，再於陽極緩衝層(212)上設置一發光層(213)，最後於發光層(213)上以蒸鍍的方法設置一陰極(214)；其中陽極緩衝層(212)係使用PEDOT:PSS材料製備，發光層(213)是將PVK:PBD:Ir(mppy)
3溶液添加於二氯苯(dichlorobenzene，簡寫為DCB)中製成，陰極(214)則是以蒸鍍置備的銀(100 nm)/鈣(50 nm)層。
其中，發光層(213)使用的PVK:PBD:Ir(mppy)
3溶液中，PVK:PBD:Ir(mppy)
3的重量比為70:29:1，且PVK:PBD:Ir(mppy)
3溶液中PVK重量百分率濃度為1.6wt%。
又，PEDOT為化合物poly-3,4-Ethylenedioxythiophene的縮寫，PSS為化合物為化合物polystyrene sulfonate的縮寫，PVK為化合物poly(9-vinylcarbazole)的縮寫，PBD為化合物2-(4-tert-Butylphenyl)-5-(4-biphenylyl)-1,3,4-oxadiazole的縮寫，以及Ir(mppy)
3為化合物Tris[2-(p-tolyl)pyridine]iridium(III)的縮寫。
請再參見第二圖(B)，為本實施例第二光源的示意圖，其係在第二圖(A)之綠光OLED的玻璃基板(211)的另一側，設置一色轉換層(221)，本實施例中使用的色轉換層(221)是以聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane，後簡稱PDMS)為基礎材料，並以紅色染料、以膨脹-消脹微封裝技術(Swelling-deswelling microencapsulation)染色後製成，製備方法敘述如下。
將PDMS材料與一固化劑，以PDMS材料:固化劑重量比為10:1的比例混合，均勻攪拌後獲得一混合溶液，並將混合溶液放置於一真空腔體中去除氣泡；待完全去除氣泡之後，將混合溶液倒入一模具，並放入烘箱，以70℃加熱1小時，使PDMS固化；將固化後的PDMS材料自模具中取出，並將其剪成數片面積約為1cm
2的PDMS薄片，本實施例中分別製作了厚度為1 mm及2 mm的PDMS薄片。
接著，將紅色染料溶解於溶劑中，以製作一紅色染劑；本實施例中分別製作兩種紅色染劑，且紅色染劑的濃度為8 mg/mL；第一種紅色染料為DCJTB(4-(Dicyanomethylene)-2-tert-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidin-4-yl-vinyl)-4H- pyran)，第二種紅色染料為DCQTB((E)-2-(2-tert-Butyl-6-(2-(2,6,6-trimethyl-2,4,5,6- tetrahydro-1H-pyrrolo[3,2,1-ij]quinolin-8-yl)vinyl)-4H-pyran-4-ylidene)malononitrile)，且使用的溶劑為氯苯(chlorobenzene)或是氯仿(chloroform)。
請參見第三圖，將上述製備的PDMS薄片，分別浸泡在DCJTB溶液以及DCQTB溶液中，PDMS薄片會因為浸泡溶劑後膨脹，而使得紅色染料可以進入到PDMS薄片中；浸泡約24小時之後，取出已經染色的PDMS染色片，以無塵紙稍作擦拭以吸乾PDMS染色片上的多餘液體；其中，若紅色染料的溶劑使用氯苯，則染色後的PDMS薄片需要以60℃烤乾以去除溶劑，而紅色染料的溶劑使用氯仿者，因氯仿極易揮發，因此只需要於室溫靜置待溶劑揮發即可。第四圖右側的照片即為本發明中、以DCJTB染色後的PDMS薄片，左方為1 mm的PDMS染色片，右方為2 mm的PDMS染色片。
接著，將染色完成的PDMS染色片，設置於上述第二圖(A)的綠光OLED的玻璃基板(211)的另一側，以作為色轉換層(221)，並獲得第二圖(B)所示的第二光源。又，後續將以「綠光OLED(染料-溶劑-厚度)」的簡寫法，以表示設置不同PDMS染色片的第二光源，例如「綠光OLED(DCJTB-氯仿-1 mm)」為設置有以DCJTB氯仿溶液染色、厚度為1 mm的PDMS染色片的第二光源。
(二)、發光光譜分析
請參見第四圖(A)，為本實施例中綠光OLED的發光光譜，其波峰位置位於512 nm；再參見第四圖(B)，為綠光OLED(DCJTB-氯仿-1 mm)以及綠光OLED(DCJTB-氯仿-2 mm)的發光光譜，可觀察到二者的發光光譜的波峰位置與綠光OLED相比，都有明顯的位移，綠光OLED(DCJTB-氯仿-1 mm)的波峰位置會移到600 nm，而綠光OLED(DCJTB-氯仿-2 mm)的波峰位置會移到620 nm；又請參見第四圖(C)，以肉觀察眼綠光OLED(DCJTB-氯仿-1 mm)的發光顏色，為偏橘色，而第四圖(D)則是肉眼觀察綠光OLED(DCJTB-氯仿-2 mm)的發光顏色，為紅色，分析結果顯示設置PDMS染色片後的綠光OLED，其顏色確實已經完全轉換。
第五圖(A)為綠光OLED(DCQTB-氯仿-1 mm)以及綠光OLED(DCQTB-氯仿-2 mm)的發光光譜圖，OLED(DCQTB-氯仿-1 mm)的波峰位置為604 nm，而綠光OLED(DCQTB-氯仿-2 mm)的波峰位置則是位於624 nm，與第四圖(A)的綠光OLED發光光譜相比，波峰都有明顯的位移；又第五圖(B)顯示綠光OLED(DCQTB-氯仿-1 mm)的肉眼觀察眼色為橘紅色，第五圖(C)則顯示綠光OLED(DCQTB-氯仿-2 mm)的肉眼觀察眼色為深紅色，二者的色轉換效果也都十分良好。
請再參見表一，為本實施例以不同材料製作的第二光源，其發光波峰(λ
max)的位置分析結果，結果顯示綠光OLED(DCQTB-氯仿-2 mm)的波峰位置的波長最長，色轉換效果最好，因此本案綠光OLED(DCQTB-氯仿-2 mm)作為後續製備血氧偵測裝置的第二光源。
表一
| 染劑 | DCJTB | |||
| 溶劑 | 氯苯 | 氯仿 | 氯苯 | 氯仿 |
| 厚度 | 1 mm | 1 mm | 2 mm | 2 mm |
| λ max(nm) | 600 | 596 | 616 | 620 |
| 染劑 | DCQTB | |||
| 溶劑 | 氯苯 | 氯仿 | 氯苯 | 氯仿 |
| 厚度 | 1 mm | 1 mm | 2 mm | 2 mm |
| λ max(nm) | 608 | 604 | 616 | 624 |
二、脈搏與血氧偵測測試
接著，將上述製作的綠光OLED以及綠光OLED(DCQTB-氯仿-2 mm)，分別作為本實施例血氧脈搏偵測裝置中、血氧脈搏偵測單元的第一光源與第二光源，並檢測受試者的指腹、以偵測其脈搏訊號以及血氧濃度；同時，也使用一市售血氧機(廠牌為旺北，型號為Prince-100B)同時量測該受試者同一隻手、另一隻手指頭的訊號，以作為校正比對之用。
(一)、脈搏偵測
請參見第六圖，為使用綠光OLED量測受試者食指指腹量測到的訊號，並利用示波器設定的橫向時間軸將測得波長換算成週期，最後以一分鐘除以週期，即可得到一分鐘的脈搏次數(Beat per minute，單位為b.p.m)；第六圖的結果顯示受試者的週期約為0.634秒，因此一分鐘的脈搏次數即60/0.634 = 94.68，約為95 b.p.m.，而同時以市售血氧機測量的結果顯示受試者一分鐘的脈搏次數為96 b.p.m.，兩者之誤差僅約為1%，表示本發明以綠光OLED量測的結果相當準確。
(二)、血氧測試
人體的紅血球內含大量的血紅素，當血紅素未與任何分子或元素鍵結時，將其稱作「Hb」；當血紅素與氧氣鍵結時，將其稱為「HbO
2」，又在某些狀態下，血紅素也會運載其他分子，例如運載CO、CO
2，便以HbCO
2或HbCO稱呼之；應，血氧濃度SpO
2為帶氧血紅素HbO
2佔整體血紅素的比例，其計算公式為：
SpO
2= [HbO
2]/[HbO
2]+[Hb]×100%
[HbO
2]為含氧血紅素的濃度，[Hb]則為無氧血紅素的濃度。
此外，血紅素在不同波長的光照射下，也有不完全相同的折射率(Refractive index)，進而影響光打至血紅素表面的反射率；再加上光在組織與肌肉纖維中的吸收以及散射，光偵測器接收的反射訊號勢必也會有所變化；因此，我們可以透過示波器讀取光體積變化描記圖法(PPG)訊號中的AC項，觀察訊號中的peak to peak voltage (V
p -p)之變化情形。首先，以本發明的血氧偵測裝置進行量測，並以示波器觀察V
p -p，同時以市售血氧機對受試者進行同步量測，最後再將兩者的結果進行比較，觀察V
p -p與血氧濃度之間的關係。
第七圖(A)與第七圖(B)分別為血氧濃度為99%時，以本發明綠光OLED以及綠光OLED(DCQTB-氯仿-2 mm)量測時的PPG訊號結果，而第八圖(A)與第八圖(B)則為血氧濃度96%時、以本發明綠光OLED以及綠光OLED(DCQTB-氯仿-2 mm)量測時的PPG訊號結果，根據第七圖與第八圖，當血氧值從99%降低至96%時，綠光OLED的V
p -p從約 84.4 mV降至約74.9 mV，綠光OLED(DCQTB-氯仿-2 mm)的V
p -p則從約60.6 mV降至約57.8 mV，兩者的V
p -p皆有不同程度的降低，顯示本案所製備的單色有機發光二極體血氧偵測裝置，確實也能反應出血氧的變化情形，因此也可以用於偵測血氧。
綜上，本發明之單色有機發光二極體血氧脈搏偵測裝置，係透過色轉換層，以轉換單色有機發光二極體的顏色，以達到使用單色有機發光二極體便可發出兩種顏色光源的目的，且本發明使用的色轉換層，是吸收掉不需要的光，而轉成想留下的光線色彩，與傳統的濾光片作用方式並不相同；此外本發明也藉由實施例，證實本案所製備的血氧脈搏偵測裝置，確實能應用於偵測脈搏與血氧，且獲得的結果與市售儀器差距甚低；此外，本發明可設置於可撓性基板上，因此可以製作可撓式血氧機，應用範圍更廣，更能使得穿戴式血氧脈搏偵測裝置更為普及化。
綜上所述，本發明單色有機發光二極體血氧脈搏偵測裝置，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
惟，上述所揭之說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；其；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。
1:訊號處理電路板
2:氧偵測單元
21:第一光源
211:玻璃基板
212:陽極緩衝層
213:發光層
214:陰極
22:第二光源
221:色轉換層
3:示波器
4:供電單元
第一圖：本發明之單色有機發光二極體血氧脈搏偵測裝置示意圖。
第二圖：本發明之第一光源與第二光源結構示意圖。
第三圖：本發明之第二光源之色轉換層製作方法示意圖。
第四圖：本發明之第一光源與第二光源之發光光譜分析圖。
第五圖：本發明之第二光源之發光光譜分析圖。
第六圖：以本發明測試脈搏之分析圖。
第七圖：以本發明測試血氧之分析圖(一)。
第八圖：以本發明測試血氧之分析圖(二)。
無
21:第一光源
211:玻璃基板
212:陽極緩衝層
213:發光層
214:陰極
22:第二光源
221:色轉換層
Claims (4)
- 一種單色有機發光二極體血氧脈搏偵測裝置，包含一訊號處理電路板，一血氧脈搏偵測單元電性連接於該訊號處理電路板，一示波器電性連接於該訊號處理電路板，以及一供電單元電性連接於該血氧脈搏偵測單元，其中該血氧脈搏偵測單元包含一第一光源與一第二光源，其中該第一光源為一綠光有機發光二極體，且該第二光源係為該綠光有機發光二極體搭配一色轉換層所製備，其中該色轉換層係為一紅色的色轉換層，且為一以紅色染料染色之聚二甲基矽氧烷聚合物片體，又該紅色染料為DCJTB(4-(Dicyanomethylene)-2-tert-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethy-ljulolidin-4-yl-vinyl)-4H-pyran)或是DCQTB((E)-2-(2-tert-Butyl-6-(2-(2,6,6-trimethyl-2,4,5,6-tetrahydro-1H-pyrrolo[3,2,1-ij]quinolin-8-yl)vinyl)-4H-pyran-4-ylidene)malononitrile)
- 如請求項1所述之單色有機發光二極體血氧脈搏偵測裝置，其中該第二光源係將該色轉換層設置於該綠光有機發光二極體之一發光面上。
- 如請求項1所述之單色有機發光二極體血氧脈搏偵測裝置，其中該綠光有機發光二極體的發光層是以一PVK：PBD：I(mppy)3材料所製備。
- 如請求項1所述之單色有機發光二極體血氧脈搏偵測裝置，其中該色轉換層的厚度介於0.001mm~5mm之間。
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| TW110100287A TWI762142B (zh) | 2021-01-05 | 2021-01-05 | 單色有機發光二極體血氧脈搏偵測裝置 |
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2021
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| TW202227009A (zh) | 2022-07-16 |
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