Pulsoximetrul organic: monitorizare extinsă și consum scăzut de energie

Senzorii de pulsoximetrie sunt utilizați pe scară largă în unitățile sanitare, în mod special în cazurile grave care necesită monitorizare continuă a funcțiilor vitale. Cu toate acestea, pulsoximetrele consumă multă energie electrică, făcând dificilă folosirea lor independent de o sursă de alimentare.

O echipă de cercetători din Coreea de Sud a publicat în revista Science Advances un articol prin care analizează avantajele pulsoximetrelor formate din diode organice, care au un consum mult mai redus decât cele anorganice. Acestea pot activa optim cu un consum mediu de doar 24 de microwați.

 

Cum funcționează un pulsoximetru

 

Monitorizarea continuă a semnelor vitale este indispensabilă în cazurile grave care necesită mobilizarea pe mai multe secții spitalicești. Emiterea alertelor în cazul existenței unor parametri fizici aflați la limită este esențială și de cele mai multe ori face diferența între viață și moarte, în cazurile aflate sub continuă supraveghere medicală. În plus, parametrii înregistrați pot fi folosiți pentru analizarea ulterioară și stabilirea asocierilor anumitor caracteristici cu diverse patologii. Fotopletismograma și saturația periferică în oxigen sunt două exemple de măsurare continuă a semnelor vitale, oferind informații cheie despre funcția respiratorie, dar și despre alte simptome și patologii ale pacienților.

Pulsoximetrul este un dispozitiv medical care realizează atât fotopletismograma, cât și saturația periferică în oxigen, cu ajutorul unei surse de lumină cu două lungimi de undă și un fotodetector. Acesta produce semnale electrice modulate de absorbția fotonilor (dependentă de lungimea undei) de către hemoglobina oxigenată și neoxigenată din vasele de sânge. Dispozitivul are la bază diode anorganice emițătoare de lumină (LEDs) formate din trei-cinci sisteme semiconductoare și fotodiode Si (PDs). LED-urile sunt eficiente, dar uneori colectarea unui semnal necesită un consum energetic de ordinul miliwaților, făcând ineficientă adaptarea pulsoximetrului la o sursă de energie pe baza bateriilor, în cazul dispozitivelor mobile.

 

Organic sau anorganic?

 

Recent, au fost create diode organice emițătoare de lumină (OLEDs) și fotodiode organice (OPDs), care pot intra în componența unor pulsoximetre configurate în forme flexibile și ușoare, îndeplinind caracteristicile ideale ale dispozitivelor mobile. Până în prezent, pulsoximetrele organice au fost configurate ținând cont mai ales de fezabilitate și avantajele formei și mai puțin de consumul energetic în timpul deplasărilor.

În articol, autorii pun accent pe libertatea de design oferită de LED-urile organice și arată că pulsoximetrele organice (OPOs) pot fi limitate la un consum de doar 20–30 de microwați, fiind ideale în cazul necesității monitorizării mobile sau monitorizării în afara unităților spitalicești. Studiul a fost realizat cu ajutorul analizei optice a propagării luminii prin pielea umană. Pulsoximetrul organic are un consum de electricitate foarte scăzut (24 de microwați) și este alcătuit dintr-un OPD organic în forma cifrei 8, care se înfășoară în jurul OLED-ului pentru emiterea fotonilor (fig. 1).

Figura 1. Schema pulsoximetrelor organice. Sursa: Lee H et al, Sci Adv

Contactul optimizat al pulsoximetrului organic cu pielea face posibilă folosirea unei cantități semnificative de lumină, care ar fi fost altfel reținută în substrat. Studiul coreean a arătat că componentele organice pot fi folosite pentru a face portabile dispozitivele de monitorizare.

 

Avantajele tehnologiei organice

 

Tehnologia organică permite o mare flexibilitate în design și are o compatibilitate mai mare cu pielea umană, oferind un indice de refracție mai mare decât tehnologia anorganică. Marea majoritate a fotonilor generați în stratul activ al diodelor organice sunt reținuți în substrat datorită reflecției interne, proporția lor relativă fiind de 30–35%, mult mai mare decât cea a fotonilor emiși în aer (20%). Când indicele de refracție al substratului se aliniază cu cel al pielii, proporția relativă a fotonilor din substrat și proporția relativă a fotonilor emiși în aer pot fi cuplate în piele, folosirea fotonilor fiind astfel mult mai eficientă.

Cercetarea coreenilor a arătat că, în cazul OLED-urilor cu aria activă de 4 mm2, puterea optică se reduce cu 32% atunci când porțiunea din față este în contact cu degetul (fig. 2), reducerea fiind atribuită extracție luminii indusă de contact.

Figura 2. Unda optică a pulsoximetrului organic la contactul cu aerul și cu pielea. Sursa: Lee H et al, Sci Adv

Aria de contact a OLED-ului cu degetul este limitată, iar fotonii reintră în substrat după ce sunt redispersați în piele. În plus, cutele și striurile pielii contribuie la limitarea contactului OLED-ului cu suprafața degetului. Utilizarea unui fluid la contactul cu pielea poate reduce disiparea fotonilor cu 40%.

Potrivirea indicelui substratului cu indicele OLED-ului previne contactul luminii emise de OLED cu OPD-ul fără să treacă prin piele. Curentul direct mărește semnalele obținute de trecerea luminii prin piele. Dacă există un gol de aer între substrat și piele, lumina livrată la fotodiode poate fi augmentată, dar cea mai mare parte a semnalelor va veni din fotonii ghidați în substrat, nu din cei care trec prin piele și se întorc (fig. 3).

Figura 3. Vedere transsecțională a parcursului fotonilor în țesuturi (a: substratul în contact cu pielea; b: substratul fără contact cu pielea). Sursa: Lee H et al, Sci Adv

Tehnologia nu poate diferenția fotonii care trec prin vasele de sânge de cei care nu trec. Astfel, dacă există mai mulți fotoni care nu trec prin vasele de sânge, ei pot bruia semnalul celor care trec. Dezvoltarea unei tehnologii care să separe cele două semnale ar putea fi utilă în viitor.

Lasă un răspuns

*

Acest sit folosește Akismet pentru a reduce spamul. Află cum sunt procesate datele comentariilor tale.