生物传感器应用的穿透深度指南

当可见光和红外波穿透人体皮肤时，皮肤层会发生吸收和散射。波的穿透深度取决于每个蒙皮层的波长和特性。提出了用于生成吸收和散射特性作为皮肤每一层波长函数的公式。然后可以对这些特性进行建模，以确定各种波长对人体皮肤的渗透深度。通过了解穿透深度与波长的函数关系，可以为特定的生物传感器应用选择最佳波长。

介绍

知识 光撞击和穿过皮肤时的行为是 对于优化光学生物传感器至关重要，因为它允许准确的 模拟穿透深度与波长的函数关系。此应用程序 注释 综述了人体皮肤的吸收和降低的散射系数 层作为波长的函数。使用这些系数，穿透深度 作为波长的函数可以模拟和最佳光源 可以为给定的生物传感器应用选择波长。

模拟光传输通过 皮肤

皮肤 由表面的三个主要层组成：无血表皮层（100μm 厚）、血管化真皮层（1 毫米至 2 毫米厚）和皮下脂肪 组织（从1毫米到6毫米厚，取决于身体部位）。通常， 这些层的光学特性以吸收μ为特征一个和散射μs系数和各向异性因子 g。这 吸收系数表征吸收事件的平均数量 光子在组织中传播的每单位路径长度。主要吸收剂在 可见光谱范围是血液、血红蛋白、β-胡萝卜素、 和胆红素。在红外光谱范围内，皮肤真皮的吸收特性 以吸水为主。散射系数表征 每单位光子行进路径长度的平均散射事件数 在组织中，各向异性因子G表示平均余弦 的散射角。

在 以下各节，我们概述了每一层的生物学特性 以及它们如何影响光的传播和吸收。

皮肤结构和光学模型

这 人体皮肤的第一部分也是最外层是表皮。表皮可以 细分为两个亚层：非生物和活表皮。无生命 表皮或角质层（约20μm厚）主要由死细胞组成， 高度角化，脂质和蛋白质含量高。它还具有 含水量相对较低1.这种组织中的光吸收是 在可见区域低且相对均匀。

这 活表皮（100μm厚）传播并吸收光。吸收 性质主要由天然发色团、黑色素决定2. 黑色素有两种类型：红色/黄色褐黑色素和棕色/黑色 真黑素，与皮肤色素沉着有关。黑色素吸收 水平取决于每单位体积存在多少黑色素体。通常 黑色素体占据的表皮体积分数从1%不等 （浅色标本）至 40%（深色标本）。散射 黑色素颗粒的性质取决于颗粒大小，可以是 由三重理论预测。

这 真皮是一个0.6毫米至3毫米厚的结构组成 含有神经和血管的致密、不规则结缔组织。这 真皮可以根据血管的大小分为两层3. 较小的血管靠近真皮状的皮肤表面，而 较大的血管填充更深的网状真皮。吸收在 真皮的定义是吸收血红蛋白、水和脂质。因为 氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白具有不同的吸收曲线， 必须知道血氧饱和度。对于成年人， 动脉血氧饱和度一般在95%以上4.典型静脉 血氧饱和度为 60% 至 70%5.

这 真皮层的散射特性主要由纤维定义 组织结构。光线可以散射在交错的胶原纤维上，并且 束以及单个胶原纤维。由于真皮层是 与表皮相比相对较厚，平均散射特性 的皮肤以真皮散射为主。

皮下脂肪组织由脂肪集合形成 含有储存脂肪（脂质）的细胞。其 整个身体的厚度变化很大：从不存在的 眼睑在腹部厚达3厘米。吸收 的人体脂肪组织由血红蛋白，脂质和 水。脂肪组织的主要散射体是脂质的球形液滴， 它们均匀分布在脂肪细胞内。直径 脂肪细胞在15μm范围内 至 250μm6及其平均直径 范围从50μm到120μm7.在空间中 细胞之间有毛细血管、神经和网状原纤维 连接每个细胞并为脂肪组织提供代谢活动。

在 本应用纪要介绍了人体皮肤的平面五层光学模型 （见图1）基于上面概述的分层皮肤层。这 模型中包含的层是角质层、活表皮、 两层真皮（状和网状）和皮下脂肪 组织层。层的厚度以及血液、水、 脂质、黑色素含量以及层的折射率和平均值 容器直径如表1所示。

图1.皮肤的五层光学模型（不 规模）。

 

皮肤层	厚度（毫米）	折射率	体积分数 （%）				577nm处的散射系数（无血）（cm-1）	平均容器直径（μm）
			黑色素体	血	水	血脂
角质层	0.01	1.55	0.00	0.00	35.00	20.00	300	0
表皮	0.1	1.44	1-10	0.00	60.00	15.10	300	0
真皮状	0.2	1.39	0.00	0.2-4	50.00	17.33	120	6
网状真皮	1.8	1.41	0.00	0.2-5	70.00	17.33	120	15
皮下脂肪组织	3	1.44	0.00	5.00	5.00	75-95	130	75

 

吸收

在 可见光和近红外光谱范围，每层的吸收系数 包括真黑素的贡献， 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。这些颜料的光谱消光系数，表示为∈欧（λ），∈pH（λ），∈OHB（λ），∈DHB（λ），∈bil（λ），和∈β(λ), 分别由图2所示的曲线给出。总吸收 系数为k第 层由下式给出：

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

+ (ak,eu(λ))ϑk,water + (ak,lip(λ))ϑk,lip

+ (abase(λ) + ak, β(λ) )(1 - ϑk,mel - ϑk,blood - ϑk,water - ϑ k,lip)

其中 k = 1,...,5 是层数，θK，梅尔, ϑK，血液3 .K，水和 θK，唇是黑色素、血液、水的体积分数，以及 脂质在 K千层和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、氧合血红蛋白的吸收系数， 分别是脱氧血红蛋白、胆红素、水、脂质和β-胡萝卜素。一个基地，β（λ） 是波长相关的背景 组织吸收系数，由 7.84E8 × λ 给出-3.255 厘米-1.

图2.光谱消光系数 皮肤组织中存在的天然色素的曲线。

这 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

哪里：

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

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

这 氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收系数由下式给出：

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

这 总散射系数为k这一层可以定义为：

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

哪里Ck是 取决于平均血管直径和血液散射的校正系数 系数作为波长和微秒k是总散射系数 无血组织层。

这 以下关系可用于Ck8:

Ck =

哪里dk，容器是血管直径（厘米）在k杀手。在以下情况下： 系数 A 和 B 的容器的准直照明 值 a = 1.007 和 b = 1.228。在弥漫性的情况下 容器的照明系数 A 和 B 的值 A = 1.482 和 B = 1.151。

这 无血组织的总散射系数由下式给出9:

μsTk(λ) = μs0k

其中 μs0k是散射系数在 参考波长577nm列于表1中。注意：μsTk，随增加单调下降 在波长中。

这 散射各向异性的表达式可以构造为包括 来自血液的贡献9:

gk（λ） = 

，

哪里gk（λ） 是 无血组织的各向异性因子和

gTk (λ) = 0.7645 + 0.2355 [1 - exp

].

最后 降低的散射系数定义为μs'k（λ） = 微秒k(λ)（1 - 克k(λ））。

H2光学模型和计算机 模拟

为了确定穿透深度与波长的关系，使用了 Zemax OpticStudio 软件。该软件使用蒙特卡罗（MC）方法跟踪光学器件 射线在复杂的不均匀、随机散射和吸收中传播 媒体。基本 MC 建模 单个光子包轨迹由 基本模拟：光子路径长度生成、散射和 介质边界上的吸收事件、反射和/或折射。这 来自空气组织表面的镜面反射也被考虑在 模拟。在散射位点，一个新的光子包方向是 根据亨耶-格林斯坦散射相位函数确定：®

f汞(Θ) =

其中Θ是极性散射角。假设方位散射角上的分布是均匀的。MC技术需要每个皮肤层的吸收和散射系数以及各向异性因子，其厚度和折射率的值。此外，需要定义为散射系数倒数的平均路径。

结果和讨论

利用上面介绍的光学特性，Henyey-Greenstein 散射相位函数和Zemax OpticStudio，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函数 波长。例如，我们采用了以下典型的LED-PD生物传感器 配置（表 2 和图 3）和皮肤属性如 表3，并模拟了最大穿透深度作为函数 波长。

 

配置属性	价值	单位
LED 和 PD 之间的距离	3.5	毫米
局部放电尺寸	约0.4 x 0.4	毫米 x 毫米
发光二极管辐射方向图	兰伯蒂安	-
发光二极管发散角	60	度
发光二极管尺寸	约340 x 340	微米 x 米
LED/PD 顶部至角质层间距	0.5	毫米

 

图3.生物传感器配置的尺寸 用于仿真。

 

皮肤层	体积分数 （%）				浓度（克/升）
	黑色素体	血	水	血脂	β-胡萝卜素	真黑素	褐黑素	胆红素	血液中的血红蛋白
角质层	0.00	0.00	35.00	20.00	2.10E–04	0	0	0	0
表皮	1-10	0.00	60.00	15.10	2.10E–04	80	12	0	0
真皮状	0.00	0.2-4	50.00	17.33	7.00E–05	0	0	0.05	150
网状真皮	0.00	0.2-5	70.00	17.33	7.00E–05	0	0	0.05	150
皮下脂肪组织	0.00	5.00	5.00	75-95	0	0	0	0.05	150

 

这 皮肤层的吸收系数已根据 如图4所示的光学模型。

图4.根据所提出的光学模型计算不同皮肤层的吸收光谱。

散射系数，各向异性 因子和皮肤层的平均路径已根据 与所示模型，结果如图5所示，图 图6和图7。

图5.根据所提出的光学模型计算不同皮肤层的散射系数。

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.根据所提出的光学模型计算不同皮肤层的散射平均路径。

光对生物组织的穿透深度是用于决定性能的重要参数 的生物传感器。穿透深度是光线进入皮肤的距离。使用上面介绍的吸收和降低的散射系数值对光学穿透深度进行了模拟。仿真结果如图8所示。

图8.模拟最大穿透深度 图3和表3中给出的情况。

结论

在本文中，我们对人类进行了建模 具有五层结构的皮肤组织，其中每层代表其 相应的解剖层。为了模拟光组织相互作用， 每层的生物学特性具有三个波长依赖性模式 数字、吸收系数、散射系数和各向异性因子。 然后，我们使用商业光线追踪软件来计算穿透深度 光进入皮肤组织，用于模拟光学生物传感器的性能 架构。