如何為您的生物傳感器應(yīng)用選擇最佳波長

當(dāng)可見光和紅外線波穿透人體皮膚時，它們會被吸收并散射到皮膚層中。每個皮膚層的波長和特性決定了這些波的穿透深度。通過生成吸收和散射屬性作為皮膚每層波長的函數(shù)，您可以對這些屬性進(jìn)行建模，以找出各種波長對皮膚的穿透深度。然后，了解穿透深度，您可以為特定的生物傳感器應(yīng)用選擇最佳波長。

為了優(yōu)化光學(xué)生物傳感器，您需要了解光在撞擊皮膚并穿過皮膚時的行為。有了這些知識，您就可以準(zhǔn)確地模擬穿透深度作為波長的函數(shù)。在本文中，我們將研究人體皮膚層的吸收和減少散射系數(shù)作為波長的函數(shù)。然后，您可以使用這些系數(shù)來模擬穿透深度作為波長的函數(shù)，并最終為給定的生物傳感器應(yīng)用選擇最佳光源波長。

皮膚層的光學(xué)特性

人體皮膚從表面有三個主要層：無血表皮層（100μm厚），血管化真皮層（約1mm至3mm厚）和皮下脂肪組織（從1毫米到6毫米厚，取決于身體的哪個部位）。這些層的光學(xué)性質(zhì)通常由三個因素表征：吸收（μ一個） 系數(shù)，散射 （μs） 系數(shù)和各向異性因子 （g）。吸收系數(shù)表征在組織中行進(jìn)的光子每單位路徑長度的平均吸收事件數(shù)。血液、血紅蛋白、b-胡蘿卜素和膽紅素是可見光譜范圍內(nèi)的主要吸收體。在紅外光譜范圍內(nèi)，水的吸收決定了皮膚真皮的吸收特性。散射系數(shù)表征在組織中行進(jìn)的光子每單位路徑長度的平均散射事件數(shù)。最后，各向異性因子 g 表示散射角的平均余弦。接下來，讓我們考慮每個皮膚層的生物特征以及它們?nèi)绾斡绊懝獾膫鞑ズ臀铡?/p>

近距離觀察皮膚結(jié)構(gòu)

表皮是人體皮膚的第一部分，也是最外層，可以細(xì)分為兩個亞層：非活的和活的表皮。非活表皮或角質(zhì)層（10 μm至20 μm厚）主要由死細(xì)胞組成，死細(xì)胞高度角化，脂質(zhì)和蛋白質(zhì)含量高，含水量相對較低1.在這一層中，光吸收率低，在可見光區(qū)域相對均勻。

活的表皮（100μm厚）繁殖并吸收光。天然發(fā)色團(tuán)，黑色素2，決定了吸收特性。黑色素有兩種形式：紅色/黃色褐黑素和棕色/黑色真黑色素，與皮膚色素沉著有關(guān)。每單位體積可用的黑色素體的量決定了黑色素的吸收水平。黑素體占據(jù)的表皮體積分?jǐn)?shù)通常從1%（淺色標(biāo)本）到40%（深色標(biāo)本）不等。黑色素顆粒的散射特性取決于粒徑，可以通過Mie理論預(yù)測。

真皮是一個0.6毫米至3毫米厚的結(jié)構(gòu)，由含有神經(jīng)和血管的致密，不規(guī)則的結(jié)締組織組成?；谘艿拇笮?，真皮可分為兩層。較小的血管更靠近真皮中的皮膚表面。較大的血管位于更深的網(wǎng)狀真皮中。真皮中的吸收由血紅蛋白、水和脂質(zhì)的吸收來定義。由于氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白具有不同的吸收曲線，因此必須知道氧飽和度。對于成年人，動脈血氧飽和度通常高于95%4.典型的靜脈血氧飽和度為 60% 70%5.

真皮層中的組織相當(dāng)纖維化，這是定義該層散射特性的特征。光可以散射到交錯的膠原纖維和束以及單個膠原纖維上。由于該真皮層的相對厚度，皮膚的平均散射特性以真皮散射為主。

皮下脂肪組織由含有儲存脂肪（脂質(zhì)）的脂肪細(xì)胞集合形成。它的厚度在整個身體中變化很大：它不存在于眼瞼中，但在腹部，它可以厚達(dá)6厘米。血紅蛋白、脂質(zhì)和水的吸收決定了人體脂肪組織的吸收。均勻分布在脂肪細(xì)胞內(nèi)的脂質(zhì)球形液滴是脂肪組織的主要散射體。脂肪細(xì)胞的直徑在15μm至250μm范圍內(nèi)6其平均直徑范圍為 50 μm 至 120 μm7.連接每個細(xì)胞的毛細(xì)血管，神經(jīng)和網(wǎng)狀原纖維占據(jù)細(xì)胞之間的空間，為脂肪組織提供代謝活動。

參見圖1，了解基于我們討論過的分層皮膚層的人體皮膚的平面五層光學(xué)模型。該模型包括角質(zhì)層，活的表皮，真皮的兩層（狀和網(wǎng)狀）以及皮下脂肪組織層。表1顯示了各層的厚度以及血液、水、脂質(zhì)和黑色素含量的典型范圍;各層的折射率;和平均容器直徑。

［表1|模擬中使用的蒙皮層的參數(shù)。

每個皮膚層的吸收系數(shù)

在可見光和近紅外光譜范圍內(nèi)，每層的吸收系數(shù)包括真黑素、褐黑素、氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、膽紅素、β-胡蘿卜素、脂質(zhì)和水的貢獻(xiàn)。這些顏料的光譜消光系數(shù)，表示為∈eu(λ),∈ph(λ),∈ohb(λ),∈dhb(λ),∈bil(λ), and∈β(λ)，分別由圖 2 所示的曲線給出。k 的總吸收系數(shù)千圖層由下式給出：

μak=(ak,eu(λ) +ak,ph(λ))?k,mel+(ak,ohb(λ) +ak,dhb(λ)+ak,bil(λ))?k,blood
+(ak,water(λ))?k,water+(ak,lip(λ))?k,lip
+(abase(λ)+(ak,β(λ)) (1 ??k,mel??k,blood??k,water??k,lip)

其中 k = 1，。..，5 是層數(shù)，k,mel, ?k,blood, ?k,water,hhe和 ?k,lip 是黑色素、血液、水和脂質(zhì)在 k 中的體積分?jǐn)?shù)千層，以及一個k，ak,ph(λ), ak,ohb(λ),ak,dhb(λ),ak,bil(λ),ak,water(λ), ak,lip(λ),and ak,β(λ)，以及一個一，p （λ）分別是真黑素、褐黑素、氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、膽紅素、水、脂質(zhì)和β-胡蘿卜素的吸收系數(shù)。一個基礎(chǔ) （λ） 是波長相關(guān)的背景組織吸收系數(shù)，用 7.84e8 x λ 表示-3.255厘米-1.

［圖2 |皮膚組織中存在的天然色素的光譜消光系數(shù)曲線。

真黑素和褐黑素吸收系數(shù)由下式給出：

ak,eu(λ) = ∈eu(λ)ck,euandak,ph(λ) =∈ph(λ)ck,ph

其中 ck，歐盟= k 中的真黑色素濃度 （g/L）千層和 c千= k 中的褐黑素濃度 （g/L）千層。

氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收系數(shù)由下式給出：

aohb(λ) = (∈ohb(λ) ∕ 66500) ck,hb * γandak,dhb(λ) = (∈dhb(λ) ∕ 66500)ck,hb* (1?γ)

其中66500 =血紅蛋白的分子量（g / mol），c千，乙肝= 血液中的血紅蛋白濃度 （g/L）千層，γ=氧合血紅蛋白與總血紅蛋白濃度的比值。

膽紅素的吸收系數(shù)由下式給出：

ak,bil(λ) = (∈bil(λ) ∕ 585)ck,bil

其中 585 = 膽紅素的分子量 （g/mol） 和ck，bil= 膽紅素濃度（g/L）千層。

β-胡蘿卜素吸收系數(shù)一個一，p （λ） 由下式給出：

ak,β(λ)= (∈β(λ) ∕ 537)ck,β

其中537 =β-胡蘿卜素的分子量（g / mol）和ck，β = β-胡蘿卜素濃度（克/升）千層。

水的吸收系數(shù)由下式給出：

ak,water(λ)= ∈water(λ)ck,water

哪里ck，水= 以 k 為單位的水濃度（克/升）千層。

脂質(zhì)吸收系數(shù)由下式給出：

ak,lip(λ)=∈lip(λ)ck,lip

哪里ck，唇= 以 k 為單位的脂質(zhì)濃度 （g/L）千層。

散射系數(shù)

k 的總散射系數(shù)千層可以定義為：

μsk=?k,bloodCkμsblood(λ) + (1 ??k,blood)μsTk(λ)

其中 Ck是由平均容器直徑定義的校正因子。血液散射系數(shù)與波長和微秒針k定義無血組織層的總散射系數(shù)。

以下關(guān)系可用于 Ck8：

Ck= 1/(1+ a (0.5 μsblood dk,vessels)b)

哪里dk，容器是血管的直徑 （cm） 在 k千層。在容器的準(zhǔn)直照明的情況下，系數(shù)a和b的值為a = 1.007和b = 1.228。在容器的漫射照明的情況下，系數(shù)a和b的值為a = 1.482和b = 1.151。

無血組織的總散射系數(shù)由下式給出：

μsTk(λ) =μs0k(577nm /λ)

哪里微秒0k是表1中列出的參考波長577nm處的散射系數(shù)。注意：微秒針k隨著波長的增加而單調(diào)下降。

散射各向異性的表達(dá)式可以構(gòu)造為包括血液的貢獻(xiàn)9：

gk(λ)= (?k,bloodCkμsblood(λ) gblood+ (1 ??k,blood)μsTk(λ) gT(λ))/μsk(λ)

其中 gT （λ） 是無血組織的各向異性因子，并且

gk(λ)= 0.7645 + 0.2355 [1– exp ((–λ –500nm)/729.1nm)]

最后，減小的散射系數(shù)定義為μs'k(λ) =μsk(λ)(1 – gk(λ))。

應(yīng)用計算機(jī)模擬來確定穿透深度

Zemax 光學(xué)工作室軟件用于確定穿透深度作為波長的函數(shù)。該軟件使用蒙特卡羅（MC）方法來追蹤在復(fù)雜的不均勻，隨機(jī)散射和吸收介質(zhì)中傳播的光學(xué)射線。為了對單個光子包的軌跡進(jìn)行基本的MC建模，我們可以應(yīng)用以下基本模擬序列：光子路徑長度生成，散射和吸收事件，介質(zhì)邊界上的反射和/或折射。散射事件可以用亨耶-格林斯坦相位函數(shù)f來表征汞 （θ），它描述了散射后新光子包的方向：

fHG(θ) = (1/4π)((1– g2)/(1 +g2– 2gcosθ)3/2

其中 θ 是極地散射角。方位散射角上的分布假設(shè)為均勻分布。在模擬中還考慮了空氣組織表面的鏡面反射。

使用此 MC 方法需要具有吸收值，以及每個表皮層的散射系數(shù)和各向異性因子、其厚度和折射率。您還需要將平均路徑定義為散射系數(shù)的倒數(shù)。

結(jié)果

使用我們與Henyey-Greenstein散射相位函數(shù)和Zemax光學(xué)軟件討論的光學(xué)特性，我們可以模擬任何生物傳感器配置，并確定最大穿透深度作為波長的函數(shù)。作為用例，請考慮以下典型的LED光電二極管（PD）生物傳感器配置（表2和圖3）和表3所示的皮膚特性。我們進(jìn)行了模擬，以確定最大穿透深度作為波長的函數(shù)。

［表2|仿真中使用的生物傳感器配置。

［圖3|模擬中使用的生物傳感器配置的尺寸。

［表3|模擬中使用的皮膚屬性。

基于所呈現(xiàn)的光學(xué)模型計算了皮膚層的吸收系數(shù)，如圖4所示。

［圖4|根據(jù)所提出的光學(xué)模型計算出不同皮膚層的吸收光譜。

使用所呈現(xiàn)的模型計算了皮膚層的散射系數(shù)，各向異性因子和平均路徑，結(jié)果如圖5-7所示。

［圖5|使用所提出的光學(xué)模型計算出不同表皮層的散射系數(shù)。

［圖6|根據(jù)所提出的光學(xué)模型計算不同皮膚層的各向異性因子。

［圖7|使用所提出的光學(xué)模型計算的不同表皮層的散射平均路徑。

為了確定生物傳感器的性能，必須考慮光對生物組織的穿透深度。使用本文前面介紹的吸收和減少散射系數(shù)值，我們模擬了光學(xué)穿透深度，結(jié)果如圖8所示。

［圖8|針對圖3和表3所示情況模擬的最大穿透深度。

結(jié)論

在本文中，我們根據(jù)五層結(jié)構(gòu)對人體皮膚組織進(jìn)行了建模，每層代表其相應(yīng)的解剖層。為了模擬光組織相互作用，我們用三個波長依賴數(shù)、吸收系數(shù)、散射系數(shù)和各向異性因子對每層的生物特征進(jìn)行了建模。我們使用商業(yè)光線追蹤軟件來計算光對皮膚組織的穿透深度，以模擬光學(xué)生物傳感器結(jié)構(gòu)的性能。

審核編輯：郭婷