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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(jìn)行生理測(cè)量。其最廣泛的應(yīng)用之一是商用智能手表和運(yùn)動(dòng)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(cè)。本文演示了如何在 Zemax OpticStudio 中對(duì)人體皮膚建模以進(jìn)行生理測(cè)量，并說明了使用 ZOS-API 對(duì)基于 PPG 的心率傳感器進(jìn)行的時(shí)間相關(guān)模擬。(聯(lián)系我們獲取文章附件) O`| ri5d e$h\7i:( 簡(jiǎn)介 (/Bkwb JyE EZFWxR/ PPG 器件由紅外或可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的發(fā)光二極管 (LED) 和光電探測(cè)器組成。它們提供了一種簡(jiǎn)單的光學(xué)技術(shù)來檢測(cè)組織中的血容量變化，因?yàn)檠罕戎車慕M織對(duì)光具有更強(qiáng)烈地吸收和散射效應(yīng)。因此，血液的脈動(dòng)將導(dǎo)致檢測(cè)器信號(hào)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(shí)間推移的測(cè)量信號(hào)。 1Sr}2@> n*uZ=M_/Q 基礎(chǔ)設(shè)計(jì) l\GNd6)H we? #)9Q< PPG 傳感器可設(shè)計(jì)為反射或透射模式。由于光的穿透深度取決于其波長(zhǎng)，因此綠色和黃色 LED 光線最適合在淺表血流中進(jìn)行測(cè)量，并且通常以反射模式使用。另一方面，紅外和近紅外波長(zhǎng)更適合測(cè)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(gè)反射 PPG 設(shè)備。 1+#8} z: z AIC5fv u  Fx\Re]~n }9dgm[C[b 我們的目標(biāo)是根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中發(fā)表的數(shù)據(jù)開發(fā)一個(gè)逼真的皮膚模型。因此，我們打算應(yīng)用某種波長(zhǎng)，通常設(shè)置為對(duì)應(yīng)皮膚和血液的光學(xué)參數(shù)在文獻(xiàn)中廣泛可見的波長(zhǎng)，并且也接近商業(yè)設(shè)備中最常用的波長(zhǎng)。因此，我們建模選擇了 575nm 的波長(zhǎng)，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。 kDQX P p cke[SUH, 人體皮膚建模 i vk|-C'\ lUz@Em 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(biāo)是模擬基于 PPG 的心率傳感器，其中關(guān)鍵點(diǎn)是測(cè)量由血液脈動(dòng)引起的變化，因此我們專注于準(zhǔn)確地建模可以觀察到這種脈動(dòng)的皮膚層。因此，我們分別對(duì)不同血含量值的真皮亞層進(jìn)行建模，即真皮乳頭層、毛細(xì)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(jiǎn)單我們只使用一個(gè)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。 7]Yd-vA
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