Pulse oximetry is broadly used in medical sensing as it can provide information on pulse rate and blood oxygen saturation signal in a non-invasive and convenient manner. A pulse oximetry sensor is typically realized with light sources in two different wavelengths and a detector by monitoring the differential signals that are modulated due to the absorption of photons by blood vessels. While it can be configured either in transmissive type or reflective type, those in reflective type, in particular, can be useful because they can be applied onto virtually any surface in the body. Such degree of freedom in their placement may further allow for a universal platform that measures multiple kinds of vital signals with one unit system. Conventional re-flection-type pulse oximeter sensors, however, have been bulky and thus have not been able to utilize such benefits to their full potential.
Here we report a reflective pulse oximetry sensor based on organic optoelectronic devices such as or-ganic light-emitting diodes (OLEDs) and organic photodiodes (OPDs). By utilizing the low-temperature pro-cessability of organic semiconductors, the whole sensor module is made on plastic substrates so that they can be used in a patch-type configuration, which could be essential in wearable healthcare applications. For their proper operation, several key design or process parameters are explored: first, we select proper wavelengths by considering the spectral molar extinction coefficients of $HbO_2$ and Hb, in which Hb refers to hemoglobin, as well as absorption spectra of the active layers in OPDs; second, we optimize the device structures of OLEDs and OPDs for maximal efficiency and verify whether OLEDs and OPDs made on flexible substrates exhibit performance comparable to those of glass-based equivalents; finally, a proper encapsulation struc-ture for the organic devices is developed such that devices can operate reliably against ingression of ambient oxygen and water vapor. With all those factors considered, highly efficient, monolithically integrated organic pulse oximetry sensors are realized on flexible substrates. Measurement of human photoplethysmogram (PPG) and blood oxygen saturation signal is successfully demonstrated from various body parts, including those inaccessible with a transmissive type pulse oximetry sensor.
산소포화도측정기는 비침습적이고 편리한 방식으로 생체의 심박신호나 산소포화도 정보를 제공할 수 있기 때문에 임상에서 널리 사용되고 있다. 산소포화도측정기는 동맥의 광원에 따른 Hb,$HbO_2$의 흡광도 차이를 통해 관찰되며 두 개의 다른 광원과 수광부로 구성된다. 측정기는 크게 반사형과 투과형으로 구성되어 있으며 투과형의 경우 신체 어느 부분에도 적용할 수 있다는 장점이 있어 단일시스템으로 다양한 생체신호를 추출하기에 적합히다. 하지만 상용의 반사타입의 산소포화도측정센서의 경우 부피가 커 반사타입이 가진 장점을 이용하기에 한계가 있어왔다.
이에 본 논문에서는 유기발광다이오드와 유기포토다이오드를 이용하여 반사타입의 산소포화도센서를 개발하였다. 웨어러블 헬스케어 응용을 위한 패치타입으로 유기반도체의 저온공정을 통해 플라스틱기판에서 전체센서모듈을 집적하였다. 산소포화도 추출을 위한 주요 요소들로 첫째, $HbO_2$와 Hb의 몰흡광계수를 고려려하고 유기포토다이오드 활성층의 흡수 스펙트럼을 고려하여 발광 파장대를 선택하였으며, 둘째, 유기발광다이오드와 유기포토다이오드 모두 유리기판과 플라스틱기판 모두 우수한 성능을 보임을 확인하였다. 마지막으로 외부 측정시 산소와 수분 침투를 막기위한 봉지구조를 개발하였다. 위와 같은 주요 요소를 검증하여 높은 효율과 플라스틱기판에서의 유기 산소포화도 센서를 단일집적하였다. 투과방식의 산소포화도센서로 측정불가능한 신체의 여러부분을 측정하여 인간의 심박 및 산소포화도 신호를 성공적으로 추출하였다.
