当可见光和红外线波穿透人体皮肤时,它们会被皮肤层吸收和散射。每个皮肤层的波长和特性决定了这些波的穿透深度。通过为皮肤的每一层生成作为波长函数的吸收和散射属性,您可以对这些属性进行建模,以计算出各种波长对皮肤的穿透深度。然后,了解穿透深度后,您可以为特定的生物传感器应用选择最佳波长。
要优化光学生物传感器,您需要了解光在照射和穿过皮肤时的行为。有了这些知识,您就可以使用工具来准确模拟作为波长函数的穿透深度。在本文中,我们将研究作为波长函数的人体皮肤层的吸收和降低散射系数。然后,您可以使用这些系数来模拟作为波长函数的穿透深度,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
人体皮肤从表面分为三个主要层:无血表皮层(100 μm 厚)、血管化真皮层(约 1 mm 至 3 mm 厚)和皮下脂肪组织(1 mm 至 6 mm 厚,视情况而定)身体的哪个部位)。这些层的光学特性通常由三个因素表征:吸收 (μ a ) 系数、散射 (μ s ) 系数和各向异性因子 ( g)。吸收系数表征在组织中传播的光子每单位路径长度的平均吸收事件数。血液、血红蛋白、β-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传播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代表散射角的平均余弦值。接下来让我们考虑每个皮肤层的生物学特性以及它们如何影响光的传播和吸收。
仔细观察皮肤结构
表皮是人体皮肤的第一层和最外层,可细分为两个亚层:非生物表皮和生物表皮。无生命的表皮或角质层(10 μm 至 20 μm 厚)主要由死细胞组成,这些细胞高度角化,脂质和蛋白质含量高,含水量相对较低1。在该层中,可见光区域的光吸收较低且相对均匀。
活的表皮(100 微米厚)传播并吸收光。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/黄色褐黑色素和与皮肤色素沉着相关的棕色/黑色真黑色素。每单位体积可用的黑素体量决定了黑色素的吸收水平。黑素体占据的表皮的体积分数通常从 1%(浅色样本)到 40%(深色样本)不等。黑色素颗粒的散射特性取决于颗粒大小,可以通过 Mie 理论进行预测。
真皮是一种 0.6 毫米至 3 毫米厚的结构,由含有神经和血管的致密、不规则结缔组织组成。根据血管3的大小,真皮可分为两层。较小的血管更靠近真皮乳头中的皮肤表面。较大的血管位于较深的网状真皮中。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。对于成年人来说,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状,这是定义该层散射特性的特征。光可以散射在交错的胶原原纤维和束以及单个胶原原纤维上。由于真皮层的相对厚度,皮肤的平均散射特性主要由真皮散射决定。
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,它可以达到 6 厘米厚。血红蛋白、脂质和水的吸收定义了人体脂肪组织的吸收。均匀分布在脂肪细胞内的球形脂质液滴是脂肪组织的主要散射体。脂肪细胞的直径范围为 15 μm 至 250 μm 6,它们的平均直径范围为 50 μm 至 120 μm 7。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。
请参见图 1,了解基于我们讨论过的分层皮肤层的人体皮肤平面五层光学模型。该模型包括角质层、活表皮、两层真皮(乳头状和网状)和皮下脂肪组织层。表 1 显示了层的厚度以及血液、水、脂质和黑色素含量的典型范围;层的折射率;和平均血管直径。
【图1 | 皮肤的五层光学模型(未按比例)。]
[表 1 | 模拟中使用的皮肤层参数。]
每个皮肤层的吸收系数
在可见光和近红外光谱范围内,每一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。给出了这些颜料的光谱消光系数,分别表示为 ε eu ( λ )、 ε ph ( λ )、 ε ohb ( λ )、 ε dhb ( λ )、 ε bil ( λ )和 ε β ( λ )从图 2 所示的曲线。总吸收系数为第k层由下式给出:
μa k = ( a k,eu ( λ ) + a k,ph ( λ )) ? k,mel + ( a k,ohb ( λ ) + a k,dhb ( λ ) + a k,bil ( λ )) ? k,血
+ ( a k,水 ( λ )) ? k,water + ( a k,lip ( λ )) ? k,唇
+ (一个基 ( λ ) + ( a k,β ( λ )) (1 - ? k,mel - ? k,血 - ? k,水 - ? k,lip )
其中k = 1,…,5 是层数,? k, 梅尔, ? k,血, ? k、水 和? k,lip 是第k层黑色素、血液、水和脂质的体积分数,a k,eu ( λ ), a k,ph ( λ ), a k,ohb ( λ ) , a k, dhb ( λ ), a k,bil ( λ ), a k,water ( λ)、a k,lip ( λ ) 和a k,β ( 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。 a base ( λ ) 是波长相关的背景组织吸收系数,用 7.84 e 8 x λ -3.255 cm -1表示。
【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:
a k,eu ( λ ) = ∈ eu ( λ ) c k,eu 和 a k,ph ( λ ) = ∈ ph ( λ ) c k,ph
其中 c k,eu = 第 k 层中的真黑素浓度 (g/L)和 c k ,ph =第k层中的褐黑素浓度 (g/L) 。
氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收系数由下式给出:
a ohb ( λ ) = ( ∈ ohb ( λ ) ∕ 66500) c k,hb * γ 和 a k,dhb ( λ ) = ( ∈ dhb ( λ ) ∕ 66500) c k,hb * (1 - γ )
其中66500 = 血红蛋白的分子量 (g/mol), c k,hb = 第k层 血液中的血红蛋白浓度 (g/L) , 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:
a k,bil ( λ ) = ( ∈ bil ( λ ) ∕ 585) c k,bil
其中 585 = 胆红素的分子量 (g/mol) 和 c k,bil =第k层 中的胆红素浓度 (g/L) 。
β-胡萝卜素吸收系数a k,β ( λ )由下 式给出:
a k,β ( λ ) = ( ∈ β ( λ ) ∕ 537) c k, β
其中 537 = β-胡萝卜素的分子量(g/mol) 和 c k, β =第k层中的β-胡萝卜素浓度 (g/L) 。
水的吸收系数由下式给出:
a k, 水 ( λ ) = ∈水 ( λ ) c k,水
其中 c k,water =第k层 中的水浓度 (g/L) 。
脂质吸收系数由下式给出:
a k,lip ( λ ) = ∈ lip ( λ ) c k, lip
其中 c k, lip =第k层 中的脂质浓度 (g/L) 。
散射系数
第k层的总散射系数可以定义为:
μs k = ? k,血 C k μs血 ( λ ) + (1 - ? k,血) μsT k ( λ )
其中C k 是由平均血管直径定义的校正因子。作为波长函数的血液散射系数和μsT k 定义了无血组织层的总散射系数。
以下关系可用于C k 8:
C k = 1/(1+ a (0.5 μs血液d k,血管) b )
其中d k,vessels 是第 k 层的血管直径 ( cm )。在血管准直照明的情况下,系数a和b的值a = 1.007 和b = 1.228。在血管漫射照明的情况下,系数a和b的值a = 1.482 和b = 1.151。
无血组织的总散射系数由9给出:
μsT k ( λ ) = μs0 k (577 nm / λ )
其中,μs0 k 是表 1 中列出的参考波长 577nm 处的散射系数。注:μsT 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建为包括来自血液9的贡献:
g k ( λ ) = ( ? k,血C k μs血 ( λ ) g血 + (1 - ? k,血) μsT k ( λ ) g T ( λ ) )/ μs k ( λ )
其中g T ( λ ) 是无血组织的各向异性因子,
g k ( λ ) = 0.7645 + 0.2355 [1– exp ((– λ – 500 nm )/729.1 nm )]
最后,降低的散射系数定义为μs‘ k ( λ ) = μs k ( λ )(1 – g k ( λ ))。
应用计算机模拟来确定穿透深度
Zemax Optics Studio 软件用于确定作为波长函数的穿透深度。该软件使用蒙特卡罗 (MC) 方法来追踪在复杂的非均匀、随机散射和吸收介质中传播的光线。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 Henyey-Greenstein 相位函数f HG ( θ ) 来表征,它描述了散射后新光子包的方向:
f HG ( θ ) = (1/4 π )((1– g 2 )/(1 + g 2 – 2 gcos θ ) 3/2
其中θ 是极散射角。假定在方位散射角上的分布是均匀的。模拟中还考虑了来自空气组织表面的镜面反射。
使用此 MC 方法需要您获得吸收值,以及每个皮肤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
使用我们讨论过的 Henyey-Greenstein 散射相位函数和 Zemax 光学软件的光学特性,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。作为一个用例,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 中所示的皮肤属性。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 | 模拟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 | 模拟中使用的蒙皮属性。]
皮肤层的吸收系数是根据提出的光学模型计算的,如图 4 所示。
【图4 | 基于所提出的光学模型计算的不同皮肤层的吸收光谱。]
使用所提出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的不同皮肤层的散射系数。]
【图6 | 根据提出的光学模型计算的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皮肤层的散射平均路径。]
要确定生物传感器的性能,必须考虑光进入生物组织的深度。使用本文前面介绍的吸收和降低的散射系数值,我们模拟了光学穿透深度,结果如图 8 所示。
【图8 | 图 3 和表 3 所示情况的模拟最大穿透深度。]
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,每一层代表其对应的解剖层。为了模拟光组织相互作用,我们用三个与波长相关的数字、吸收系数、散射系数和各向异性因子对每一层的生物学特性进行了建模。我们使用商业光线追踪软件来计算光进入皮肤组织的深度,以模拟光学生物传感器架构的性能。
审核编辑:郭婷
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