當可見光和紅外波穿透人體皮膚時，皮膚層會發生吸收和散射。波的穿透深度取決于每個蒙皮層的波長和特性。提出了用于生成吸收和散射特性作為皮膚每一層波長函數的公式。然后可以對這些特性進行建模，以確定各種波長對人體皮膚的滲透深度。通過了解穿透深度與波長的函數關系，可以為特定的生物傳感器應用選擇最佳波長。

介紹

知識 光撞擊和穿過皮膚時的行為是 對于優化光學生物傳感器至關重要，因為它允許準確的 模擬穿透深度與波長的函數關系。此應用程序 注釋 綜述了人體皮膚的吸收和降低的散射系數 層作為波長的函數。使用這些系數，穿透深度 作為波長的函數可以模擬和最佳光源 可以為給定的生物傳感器應用選擇波長。

模擬光傳輸通過 皮膚

皮膚 由表面的三個主要層組成：無血表皮層（100μm 厚）、血管化真皮層（1 毫米至 2 毫米厚）和皮下脂肪 組織（從1毫米到6毫米厚，取決于身體部位）。通常， 這些層的光學特性以吸收μ為特征一個和散射μs系數和各向異性因子 g。這 吸收系數表征吸收事件的平均數量 光子在組織中傳播的每單位路徑長度。主要吸收劑在 可見光譜范圍是血液、血紅蛋白、β-胡蘿卜素、 和膽紅素。在紅外光譜范圍內，皮膚真皮的吸收特性 以吸水為主。散射系數表征 每單位光子行進路徑長度的平均散射事件數 在組織中，各向異性因子G表示平均余弦 的散射角。

在 以下各節，我們概述了每一層的生物學特性 以及它們如何影響光的傳播和吸收。

皮膚結構和光學模型

這 人體皮膚的第一部分也是最外層是表皮。表皮可以 細分為兩個亞層：非生物和活表皮。無生命 表皮或角質層（約20μm厚）主要由死細胞組成， 高度角化，脂質和蛋白質含量高。它還具有 含水量相對較低1.這種組織中的光吸收是 在可見區域低且相對均勻。

這 活表皮（100μm厚）傳播并吸收光。吸收 性質主要由天然發色團、黑色素決定2. 黑色素有兩種類型：紅色/黃色褐黑色素和棕色/黑色 真黑素，與皮膚色素沉著有關。黑色素吸收 水平取決于每單位體積存在多少黑色素體。通常 黑色素體占據的表皮體積分數從1%不等 （淺色標本）至 40%（深色標本）。散射 黑色素顆粒的性質取決于顆粒大小，可以是 由三重理論預測。

這 真皮是一個0.6毫米至3毫米厚的結構組成 含有神經和血管的致密、不規則結締組織。這 真皮可以根據血管的大小分為兩層3. 較小的血管靠近真皮狀的皮膚表面，而 較大的血管填充更深的網狀真皮。吸收在 真皮的定義是吸收血紅蛋白、水和脂質。因為 氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白具有不同的吸收曲線， 必須知道血氧飽和度。對于成年人， 動脈血氧飽和度一般在95%以上4.典型靜脈 血氧飽和度為 60% 至 70%5.

這 真皮層的散射特性主要由纖維定義 組織結構。光線可以散射在交錯的膠原纖維上，并且 束以及單個膠原纖維。由于真皮層是 與表皮相比相對較厚，平均散射特性 的皮膚以真皮散射為主。

皮下脂肪組織由脂肪集合形成 含有儲存脂肪（脂質）的細胞。其 整個身體的厚度變化很大：從不存在的 眼瞼在腹部厚達3厘米。吸收 的人體脂肪組織由血紅蛋白，脂質和 水。脂肪組織的主要散射體是脂質的球形液滴， 它們均勻分布在脂肪細胞內。直徑 脂肪細胞在15μm范圍內 至 250μm6及其平均直徑 范圍從50μm到120μm7.在空間中 細胞之間有毛細血管、神經和網狀原纖維 連接每個細胞并為脂肪組織提供代謝活動。

在 本應用紀要介紹了人體皮膚的平面五層光學模型 （見圖1）基于上面概述的分層皮膚層。這 模型中包含的層是角質層、活表皮、 兩層真皮（狀和網狀）和皮下脂肪 組織層。層的厚度以及血液、水、 脂質、黑色素含量以及層的折射率和平均值 容器直徑如表1所示。

圖1.皮膚的五層光學模型（不 規模）。

吸收

在 可見光和近紅外光譜范圍，每層的吸收系數 包括真黑素的貢獻， 褐黑素、氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、膽紅素、β-胡蘿卜素、脂質和 水。這些顏料的光譜消光系數，表示為∈歐（λ），∈pH（λ），∈OHB（λ），∈DHB（λ），∈bil（λ），和∈β(λ), 分別由圖2所示的曲線給出。總吸收 系數為k第 層由下式給出：

μak(ak,eu(λ))?k,mel+(ak,ohb(λ)+ak,dhb(λ)+ak,bil(λ))?k,blood

+ (ak,eu(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，θK，梅爾, ?K，血液3 .K，水和 θK，唇是黑色素、血液、水的體積分數，以及 脂質在 K千層和K，ak,ph(λ), ak,ohb(λ), ak,dhb(λ), ak,bil(λ),ak,water(λ), ak,lip(λ) and ak,β(λ)是真黑素、褐黑素、氧合血紅蛋白的吸收系數， 分別是脫氧血紅蛋白、膽紅素、水、脂質和β-胡蘿卜素。一個基地，β（λ） 是波長相關的背景 組織吸收系數，由 7.84E8 × λ 給出-3.255 厘米-1.

圖2.光譜消光系數 皮膚組織中存在的天然色素的曲線。

這 真黑素和褐黑素吸收系數由下式給出：

ak.eu(λ) = ∈eu(λ)ck,eu, and ak,ph(λ) = ∈ph(λ)ck,ph

哪里：

ck,eu = eumelanin concentration (g/L) in the kth layer

ck,ph = pheomelanin concentration (g/L) in the kth layer

這 氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白吸收系數由下式給出：

ak.ohb(λ) =

ck,hb * γ , and ak,dhb(λ)

ck,hb * (1 - γ)

哪里：

ck,hb = hemoglobin concentration of the blood (g/L) in the kth layer

γ = ratio of oxyhemoglobin to the total hemoglobin concentration.

The absorption coefficient of bilirubin is given by:

ak,bil(λ) =

ck,bil

哪里：

585 = molecular weight of bilirubin (g/mol)

ck,bil = bilirubin concentration (g/L) in the kth layer

The β-carotene absorption coefficient ak,β(λ) is given by:

ak,β(λ) =

ck,β

哪里：

537 = molecular weight of β-carotene (g/mol)

ck,β = β-carotene concentration (g/L) in the kth layer

The absorption coefficient of water is given by:

ak,water(λ) = ∈water(λ)ck,water3

哪里：

ck,water = water concentration (g/L) in the kth layer.

The lipid absorption coefficient is given by:

ak,lip(λ) = ∈water(λ)ck,lip3

哪里：

ck,lip = lipid concentration (g/L) in the kth layer.

ak,lip(λ) = ∈water(λ)ck,lip3

散射

這 總散射系數為k這一層可以定義為：

μs(λ) = ?k,bloodCkμsblood(λ)+(1-?k,blood)μsTk(λ).

哪里Ck是 取決于平均血管直徑和血液散射的校正系數 系數作為波長和微秒k是總散射系數 無血組織層。

這 以下關系可用于Ck8:

Ck =

哪里dk，容器是血管直徑（厘米）在k殺手。在以下情況下： 系數 A 和 B 的容器的準直照明 值 a = 1.007 和 b = 1.228。在彌漫性的情況下 容器的照明系數 A 和 B 的值 A = 1.482 和 B = 1.151。

這 無血組織的總散射系數由下式給出9:

μsTk(λ) = μs0k

其中 μs0k是散射系數在 參考波長577nm列于表1中。注意：μsTk，隨增加單調下降 在波長中。

這 散射各向異性的表達式可以構造為包括 來自血液的貢獻9:

gk（λ） =

，

哪里gk（λ） 是 無血組織的各向異性因子和

gTk (λ) = 0.7645 + 0.2355 [1 - exp

].

最后 降低的散射系數定義為μs'k（λ） = 微秒k(λ)（1 - 克k(λ））。

H2光學模型和計算機 模擬

為了確定穿透深度與波長的關系，使用了 Zemax OpticStudio 軟件。該軟件使用蒙特卡羅（MC）方法跟蹤光學器件 射線在復雜的不均勻、隨機散射和吸收中傳播 媒體。基本 MC 建模 單個光子包軌跡由 基本模擬：光子路徑長度生成、散射和 介質邊界上的吸收事件、反射和/或折射。這 來自空氣組織表面的鏡面反射也被考慮在 模擬。在散射位點，一個新的光子包方向是 根據亨耶-格林斯坦散射相位函數確定：?

f汞(Θ) =

其中Θ是極性散射角。假設方位散射角上的分布是均勻的。MC技術需要每個皮膚層的吸收和散射系數以及各向異性因子，其厚度和折射率的值。此外，需要定義為散射系數倒數的平均路徑。

結果和討論

利用上面介紹的光學特性，Henyey-Greenstein 散射相位函數和Zemax OpticStudio，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函數 波長。例如，我們采用了以下典型的LED-PD生物傳感器 配置（表 2 和圖 3）和皮膚屬性如 表3，并模擬了最大穿透深度作為函數 波長。

圖3.生物傳感器配置的尺寸 用于仿真。

這 皮膚層的吸收系數已根據 如圖4所示的光學模型。

圖4.根據所提出的光學模型計算不同皮膚層的吸收光譜。

散射系數，各向異性 因子和皮膚層的平均路徑已根據 與所示模型，結果如圖5所示，圖 圖6和圖7。

圖5.根據所提出的光學模型計算不同皮膚層的散射系數。

圖6.根據所提出的光學模型計算不同皮膚層的各向異性因子。

圖7.根據所提出的光學模型計算不同皮膚層的散射平均路徑。

光對生物組織的穿透深度是用于決定性能的重要參數 的生物傳感器。穿透深度是光線進入皮膚的距離。使用上面介紹的吸收和降低的散射系數值對光學穿透深度進行了模擬。仿真結果如圖8所示。

圖8.模擬最大穿透深度 圖3和表3中給出的情況。

結論

在本文中，我們對人類進行了建模 具有五層結構的皮膚組織，其中每層代表其 相應的解剖層。為了模擬光組織相互作用， 每層的生物學特性具有三個波長依賴性模式 數字、吸收系數、散射系數和各向異性因子。 然后，我們使用商業光線追蹤軟件來計算穿透深度 光進入皮膚組織，用于模擬光學生物傳感器的性能 架構。