生物傳感器應(yīng)用的穿透深度指南

當(dāng)可見光和紅外波穿透人體皮膚時，皮膚層會發(fā)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(shù)的公式。然后可以對這些特性進(jìn)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(shù)關(guān)系，可以為特定的生物傳感器應(yīng)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(yōu)化光學(xué)生物傳感器至關(guān)重要，因為它允許準(zhǔn)確的 模擬穿透深度與波長的函數(shù)關(guān)系。此應(yīng)用程序 注釋 綜述了人體皮膚的吸收和降低的散射系數(shù) 層作為波長的函數(shù)。使用這些系數(shù)，穿透深度 作為波長的函數(shù)可以模擬和最佳光源 可以為給定的生物傳感器應(yīng)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(xué)特性以吸收μ為特征一個和散射μs系數(shù)和各向異性因子 g。這 吸收系數(shù)表征吸收事件的平均數(shù)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(nèi)，皮膚真皮的吸收特性 以吸水為主。散射系數(shù)表征 每單位光子行進(jìn)路徑長度的平均散射事件數(shù) 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(jié)，我們概述了每一層的生物學(xué)特性 以及它們?nèi)绾斡绊懝獾膫鞑ズ臀铡?/p>

皮膚結(jié)構(gòu)和光學(xué)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(xì)分為兩個亞層：非生物和活表皮。無生命 表皮或角質(zhì)層（約20μm厚）主要由死細(xì)胞組成， 高度角化，脂質(zhì)和蛋白質(zhì)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(qū)域低且相對均勻。

這 活表皮（100μm厚）傳播并吸收光。吸收 性質(zhì)主要由天然發(fā)色團(tuán)、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(guān)。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(jù)的表皮體積分?jǐn)?shù)從1%不等 （淺色標(biāo)本）至 40%（深色標(biāo)本）。散射 黑色素顆粒的性質(zhì)取決于顆粒大小，可以是 由三重理論預(yù)測。

這 真皮是一個0.6毫米至3毫米厚的結(jié)構(gòu)組成 含有神經(jīng)和血管的致密、不規(guī)則結(jié)締組織。這 真皮可以根據(jù)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(wǎng)狀真皮。吸收在 真皮的定義是吸收血紅蛋白、水和脂質(zhì)。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(jié)構(gòu)。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(zhì)）的細(xì)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(dá)3厘米。吸收 的人體脂肪組織由血紅蛋白，脂質(zhì)和 水。脂肪組織的主要散射體是脂質(zhì)的球形液滴， 它們均勻分布在脂肪細(xì)胞內(nèi)。直徑 脂肪細(xì)胞在15μm范圍內(nèi) 至 250μm6及其平均直徑 范圍從50μm到120μm7.在空間中 細(xì)胞之間有毛細(xì)血管、神經(jīng)和網(wǎng)狀原纖維 連接每個細(xì)胞并為脂肪組織提供代謝活動。

在 本應(yīng)用紀(jì)要介紹了人體皮膚的平面五層光學(xué)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(zhì)層、活表皮、 兩層真皮（狀和網(wǎng)狀）和皮下脂肪 組織層。層的厚度以及血液、水、 脂質(zhì)、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(xué)模型（不 規(guī)模）。

吸收

在 可見光和近紅外光譜范圍，每層的吸收系數(shù) 包括真黑素的貢獻(xiàn)， 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。這些顏料的光譜消光系數(shù)，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?？偽?系數(shù)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(shù)，θK，梅爾, ?K，血液3 .K，水和 θK，唇是黑色素、血液、水的體積分?jǐn)?shù)，以及 脂質(zhì)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(shù)， 分別是脫氧血紅蛋白、膽紅素、水、脂質(zhì)和β-胡蘿卜素。一個基地，β（λ） 是波長相關(guān)的背景 組織吸收系數(shù)，由 7.84E8 × λ 給出-3.255 厘米-1.

圖2.光譜消光系數(shù) 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(shù)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(shù)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(shù)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(shù) 系數(shù)作為波長和微秒k是總散射系數(shù) 無血組織層。

這 以下關(guān)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(shù) A 和 B 的容器的準(zhǔn)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(shù) A 和 B 的值 A = 1.482 和 B = 1.151。

這 無血組織的總散射系數(shù)由下式給出9:

μsTk(λ) = μs0k

其中 μs0k是散射系數(shù)在 參考波長577nm列于表1中。注意：μsTk，隨增加單調(diào)下降 在波長中。

這 散射各向異性的表達(dá)式可以構(gòu)造為包括 來自血液的貢獻(xiàn)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(shù)定義為μs'k（λ） = 微秒k(λ)（1 - 克k(λ））。

H2光學(xué)模型和計算機(jī) 模擬

為了確定穿透深度與波長的關(guān)系，使用了 Zemax OpticStudio 軟件。該軟件使用蒙特卡羅（MC）方法跟蹤光學(xué)器件 射線在復(fù)雜的不均勻、隨機(jī)散射和吸收中傳播 媒體?；?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(zhì)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(jù)亨耶-格林斯坦散射相位函數(shù)確定：?

f汞(Θ) =

其中Θ是極性散射角。假設(shè)方位散射角上的分布是均勻的。MC技術(shù)需要每個皮膚層的吸收和散射系數(shù)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(shù)倒數(shù)的平均路徑。

結(jié)果和討論

利用上面介紹的光學(xué)特性，Henyey-Greenstein 散射相位函數(shù)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(shù) 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(shù) 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(shù)已根據(jù) 如圖4所示的光學(xué)模型。

圖4.根據(jù)所提出的光學(xué)模型計算不同皮膚層的吸收光譜。

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

圖5.根據(jù)所提出的光學(xué)模型計算不同皮膚層的散射系數(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.根據(jù)所提出的光學(xué)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(shù) 的生物傳感器。穿透深度是光線進(jìn)入皮膚的距離。使用上面介紹的吸收和降低的散射系數(shù)值對光學(xué)穿透深度進(jìn)行了模擬。仿真結(jié)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(jié)論

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