如何为您的生物传感器应用选择最佳波长

当可见光和红外线波穿透人体皮肤时，它们会被吸收并散射到皮肤层中。每个皮肤层的波长和特性决定了这些波的穿透深度。通过生成吸收和散射属性作为皮肤每层波长的函数，您可以对这些属性进行建模，以找出各种波长对皮肤的穿透深度。然后，了解穿透深度，您可以为特定的生物传感器应用选择最佳波长。

为了优化光学生物传感器，您需要了解光在撞击皮肤并穿过皮肤时的行为。有了这些知识，您就可以准确地模拟穿透深度作为波长的函数。在本文中，我们将研究人体皮肤层的吸收和减少散射系数作为波长的函数。然后，您可以使用这些系数来模拟穿透深度作为波长的函数，并最终为给定的生物传感器应用选择最佳光源波长。

皮肤层的光学特性

人体皮肤从表面有三个主要层：无血表皮层（100μm厚），血管化真皮层（约1mm至3mm厚）和皮下脂肪组织（从1毫米到6毫米厚，取决于身体的哪个部位）。这些层的光学性质通常由三个因素表征：吸收（μ一个） 系数，散射 （μs） 系数和各向异性因子 （g）。吸收系数表征在组织中行进的光子每单位路径长度的平均吸收事件数。血液、血红蛋白、b-胡萝卜素和胆红素是可见光谱范围内的主要吸收体。在红外光谱范围内，水的吸收决定了皮肤真皮的吸收特性。散射系数表征在组织中行进的光子每单位路径长度的平均散射事件数。最后，各向异性因子 g 表示散射角的平均余弦。接下来，让我们考虑每个皮肤层的生物特征以及它们如何影响光的传播和吸收。

近距离观察皮肤结构

表皮是人体皮肤的第一部分，也是最外层，可以细分为两个亚层：非活的和活的表皮。非活表皮或角质层（10 μm至20 μm厚）主要由死细胞组成，死细胞高度角化，脂质和蛋白质含量高，含水量相对较低1.在这一层中，光吸收率低，在可见光区域相对均匀。

活的表皮（100μm厚）繁殖并吸收光。天然发色团，黑色素2，决定了吸收特性。黑色素有两种形式：红色/黄色褐黑素和棕色/黑色真黑色素，与皮肤色素沉着有关。每单位体积可用的黑色素体的量决定了黑色素的吸收水平。黑素体占据的表皮体积分数通常从1%（浅色标本）到40%（深色标本）不等。黑色素颗粒的散射特性取决于粒径，可以通过Mie理论预测。

真皮是一个0.6毫米至3毫米厚的结构，由含有神经和血管的致密，不规则的结缔组织组成。基于血管的大小3，真皮可分为两层。较小的血管更靠近真皮中的皮肤表面。较大的血管位于更深的网状真皮中。真皮中的吸收由血红蛋白、水和脂质的吸收来定义。由于氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白具有不同的吸收曲线，因此必须知道氧饱和度。对于成年人，动脉血氧饱和度通常高于95%4.典型的静脉血氧饱和度为 60% 70%5.

真皮层中的组织相当纤维化，这是定义该层散射特性的特征。光可以散射到交错的胶原纤维和束以及单个胶原纤维上。由于该真皮层的相对厚度，皮肤的平均散射特性以真皮散射为主。

皮下脂肪组织由含有储存脂肪（脂质）的脂肪细胞集合形成。它的厚度在整个身体中变化很大：它不存在于眼睑中，但在腹部，它可以厚达6厘米。血红蛋白、脂质和水的吸收决定了人体脂肪组织的吸收。均匀分布在脂肪细胞内的脂质球形液滴是脂肪组织的主要散射体。脂肪细胞的直径在15μm至250μm范围内6其平均直径范围为 50 μm 至 120 μm7.连接每个细胞的毛细血管，神经和网状原纤维占据细胞之间的空间，为脂肪组织提供代谢活动。

参见图1，了解基于我们讨论过的分层皮肤层的人体皮肤的平面五层光学模型。该模型包括角质层，活的表皮，真皮的两层（状和网状）以及皮下脂肪组织层。表1显示了各层的厚度以及血液、水、脂质和黑色素含量的典型范围;各层的折射率;和平均容器直径。

［表1|模拟中使用的蒙皮层的参数。

每个皮肤层的吸收系数

在可见光和近红外光谱范围内，每层的吸收系数包括真黑素、褐黑素、氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、胆红素、β-胡萝卜素、脂质和水的贡献。这些颜料的光谱消光系数，表示为∈eu (λ), ∈ph (λ), ∈ohb (λ), ∈dhb (λ), ∈bil (λ), and ∈β (λ)，分别由图 2 所示的曲线给出。k 的总吸收系数千图层由下式给出：

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 是层数，k,mel, ?k,blood, ?k,water, hhe和 ?k,lip  是黑色素、血液、水和脂质在 k 中的体积分数千层，以及一个k，ak,ph (λ), ak,ohb (λ), ak,dhb (λ), ak,bil (λ), ak,water (λ), ak,lip (λ), and ak,β (λ) ，以及一个一，p （λ）分别是真黑素、褐黑素、氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、胆红素、水、脂质和β-胡萝卜素的吸收系数。一个基础 （λ） 是波长相关的背景组织吸收系数，用 7.84e8 x λ 表示-3.255厘米-1.

 

 

 

［图2 |皮肤组织中存在的天然色素的光谱消光系数曲线。

真黑素和褐黑素吸收系数由下式给出：

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

其中 ck，欧盟= k 中的真黑色素浓度 （g/L）千层和 c千= k 中的褐黑素浓度 （g/L）千层。

氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收系数由下式给出：

aohb (λ) = (∈ohb (λ) ∕ 66500) ck,hb * γ and ak,dhb (λ) = (∈dhb (λ) ∕ 66500) ck,hb * (1− γ)

其中66500 =血红蛋白的分子量（g / mol），c千，乙肝= 血液中的血红蛋白浓度 （g/L）千层，γ=氧合血红蛋白与总血红蛋白浓度的比值。

胆红素的吸收系数由下式给出：

ak,bil (λ) = (∈bil (λ) ∕ 585) ck,bil

其中 585 = 胆红素的分子量 （g/mol） 和ck，bil= 胆红素浓度（g/L）千层。

β-胡萝卜素吸收系数一个一，p （λ） 由下式给出：

ak,β (λ) = (∈β (λ) ∕ 537) ck,β

其中537 =β-胡萝卜素的分子量（g / mol）和ck，β = β-胡萝卜素浓度（克/升）千层。

水的吸收系数由下式给出：

ak,water (λ) = ∈water (λ) ck,water

哪里ck，水= 以 k 为单位的水浓度（克/升）千层。

脂质吸收系数由下式给出：

ak,lip (λ) = ∈lip (λ) ck,lip

哪里ck，唇= 以 k 为单位的脂质浓度 （g/L）千层。

散射系数

k 的总散射系数千层可以定义为：

μsk = ?k,blood Ck μsblood (λ) + (1 − ?k,blood) μsTk (λ) 

其中 Ck是由平均容器直径定义的校正因子。血液散射系数与波长和微秒针k定义无血组织层的总散射系数。

以下关系可用于 Ck8：

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

哪里dk，容器是血管的直径 （cm） 在 k千层。在容器的准直照明的情况下，系数a和b的值为a = 1.007和b = 1.228。在容器的漫射照明的情况下，系数a和b的值为a = 1.482和b = 1.151。

无血组织的总散射系数由下式给出：

μsTk (λ) = μs0k (577nm / λ)

哪里微秒0k是表1中列出的参考波长577nm处的散射系数。注意：微秒针k随着波长的增加而单调下降。

散射各向异性的表达式可以构造为包括血液的贡献9：

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

其中 gT （λ） 是无血组织的各向异性因子，并且

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

最后，减小的散射系数定义为μs'k (λ) = μsk (λ)(1 – gk (λ))。

应用计算机模拟来确定穿透深度

Zemax 光学工作室软件用于确定穿透深度作为波长的函数。该软件使用蒙特卡罗（MC）方法来追踪在复杂的不均匀，随机散射和吸收介质中传播的光学射线。为了对单个光子包的轨迹进行基本的MC建模，我们可以应用以下基本模拟序列：光子路径长度生成，散射和吸收事件，介质边界上的反射和/或折射。散射事件可以用亨耶-格林斯坦相位函数f来表征汞 （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 是极地散射角。方位散射角上的分布假设为均匀分布。在模拟中还考虑了空气组织表面的镜面反射。

使用此 MC 方法需要具有吸收值，以及每个表皮层的散射系数和各向异性因子、其厚度和折射率。您还需要将平均路径定义为散射系数的倒数。

结果

使用我们与Henyey-Greenstein散射相位函数和Zemax光学软件讨论的光学特性，我们可以模拟任何生物传感器配置，并确定最大穿透深度作为波长的函数。作为用例，请考虑以下典型的LED光电二极管（PD）生物传感器配置（表2和图3）和表3所示的皮肤特性。我们进行了模拟，以确定最大穿透深度作为波长的函数。

［表2|仿真中使用的生物传感器配置。

［图3|模拟中使用的生物传感器配置的尺寸。

 

［表3|模拟中使用的皮肤属性。

基于所呈现的光学模型计算了皮肤层的吸收系数，如图4所示。

［图4|根据所提出的光学模型计算出不同皮肤层的吸收光谱。

使用所呈现的模型计算了皮肤层的散射系数，各向异性因子和平均路径，结果如图5-7所示。

［图5|使用所提出的光学模型计算出不同表皮层的散射系数。

［图6|根据所提出的光学模型计算不同皮肤层的各向异性因子。

［图7|使用所提出的光学模型计算的不同表皮层的散射平均路径。

为了确定生物传感器的性能，必须考虑光对生物组织的穿透深度。使用本文前面介绍的吸收和减少散射系数值，我们模拟了光学穿透深度，结果如图8所示。

［图8|针对图3和表3所示情况模拟的最大穿透深度。

结论

在本文中，我们根据五层结构对人体皮肤组织进行了建模，每层代表其相应的解剖层。为了模拟光组织相互作用，我们用三个波长依赖数、吸收系数、散射系数和各向异性因子对每层的生物特征进行了建模。我们使用商业光线追踪软件来计算光对皮肤组织的穿透深度，以模拟光学生物传感器结构的性能。

审核编辑：郭婷