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光電容積脈搏波法（PPG）是一種低成本，無創(chuàng)的光學(xué)技術(shù)，可在皮膚表面進行生理測量。其最廣泛的應(yīng)用之一是商用智能手表和運動手環(huán)中包含的可穿戴心率傳感器，它在日常環(huán)境下可提供舒適和連續(xù)的脈搏監(jiān)測。本文演示了如何在 Zemax OpticStudio 中對人體皮膚建模以進行生理測量，并說明了使用 ZOS-API 對基于 PPG 的心率傳感器進行的時間相關(guān)模擬。(聯(lián)系我們獲取文章附件) [>U'P1@ql [ ]}E-
V 簡介 h;u8{t " G0Eqo$W)S PPG 器件由紅外或可見光波長范圍內(nèi)的發(fā)光二極管 (LED) 和光電探測器組成。它們提供了一種簡單的光學(xué)技術(shù)來檢測組織中的血容量變化，因為血液比周圍的組織對光具有更強烈地吸收和散射效應(yīng)。因此，血液的脈動將導(dǎo)致檢測器信號發(fā)生相反的相位變化。本文介紹如何在 OpticStudio 中模擬人體皮膚組織模型，并演示如何使用 ZOS-API 應(yīng)用程序模擬 PPG 設(shè)備隨時間推移的測量信號。 /5b,& z' z_6]5 基礎(chǔ)設(shè)計 Po~{Mpe 3WHj|ENW PPG 傳感器可設(shè)計為反射或透射模式。由于光的穿透深度取決于其波長，因此綠色和黃色 LED 光線最適合在淺表血流中進行測量，并且通常以反射模式使用。另一方面，紅外和近紅外波長更適合測量深層組織血流，可用于透射模式。在次案例中，我們展示了一個反射 PPG 設(shè)備。 R7+3$F5B nYhI 0q  7k.=_Tl ^`XQ>-wWue 我們的目標是根據(jù)相關(guān)文獻中發(fā)表的數(shù)據(jù)開發(fā)一個逼真的皮膚模型。因此，我們打算應(yīng)用某種波長，通常設(shè)置為對應(yīng)皮膚和血液的光學(xué)參數(shù)在文獻中廣泛可見的波長，并且也接近商業(yè)設(shè)備中最常用的波長。因此，我們建模選擇了 575nm 的波長，并使用 QSMF-C160 LED (Avago Technologies) 作為光源。此 LED 的模型可以直接從 Radiant Source Model 數(shù)據(jù)庫下載，并且可以通過從 Radiant Source Model 文件生成的光線來創(chuàng)建光源文件。 JPJ&k( P zy^t95/m 人體皮膚建模 h mC. 5mY yr8
b?m.x 為了模擬人體組織介質(zhì)中的光傳輸，我們創(chuàng)建了分層皮膚模型，該模型考慮了表皮、真皮和皮下脂肪的組織結(jié)構(gòu)。由于此例的主要目標是模擬基于 PPG 的心率傳感器，其中關(guān)鍵點是測量由血液脈動引起的變化，因此我們專注于準確地建�？梢杂^察到這種脈動的皮膚層。因此，我們分別對不同血含量值的真皮亞層進行建模，即真皮乳頭層、毛細血管下皮層、上層血網(wǎng)真皮層、網(wǎng)狀真皮層和深部血網(wǎng)真皮層。另一方面，由于表皮中沒有血液含量，為了保持模型簡單我們只使用一個厚表皮層，它包含所有角質(zhì)層、顆粒層、棘層和基底層。最后，與大多數(shù)已發(fā)布的皮膚模型類似，我們也用一層結(jié)構(gòu)表示皮下脂肪。 4! ]28[2B6 "#Qqwsw7 上述所有皮膚層在 OpticStudio 中都建模為矩形物體，每層的厚度值基于文獻數(shù)據(jù)，通過使得側(cè)面沒有漏光的方式來確定橫截面的尺寸。通過使用上一個層作為參考對象并對上一個層的 Z 長度單元格中的 Z 位置值應(yīng)用 Pickup 求解來放置后續(xù)層結(jié)構(gòu)。該解決方案確保了各層結(jié)構(gòu)緊貼在一起，之間沒有任何間隙。 =4+Wx8ZeW 2K[Y|.u8>q  plcz m 2 [CTE"@A 自定義組織層結(jié)構(gòu) + :4
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