OAS光学分析软件 | 如何实现人体皮肤与心率探测器建模
光电容积脉搏波技术（PPG）作为一种经济实惠且非侵入性的光学检测手段，能够在皮肤表层实现生理参数的测量。这项技术最为人熟知的应用场景，就是被嵌入到市面上常见的智能手表和健身手环中的心率监测模块，使得用户在日常活动中能够便捷地获得持续性的脉搏数据。本研究展示了在OAS平台上构建人体皮肤模型的具体方法。
简介
PPG装置的核心组件包括发光二极管（LED）和光电传感器，这些元件能够在红外线或可见光波段工作。该技术利用光学原理监测组织中血液容量的波动，这是由于血液对光线的吸收和散射能力远超周围组织。当血液随心跳脉动时，会引起传感器接收到的光信号产生规律性的相位波动。
PPG 技术的基础构成与原理
PPG传感器能够以反射或透射两种方式工作。不同波长的光具有不同的穿透能力，其中绿色和黄色LED光因其较浅的穿透特性，主要用于监测表层血流，通常采用反射式设计。而对于深层组织的血流监测，红外和近红外波长则更为适用，因此这类传感器多采用透射模式。
生物组织通常表现出显著的光散射特性，这使得它们被归类为散射介质或混浊介质。借助光学模拟软件构建的散射模型，能够有效模拟人体皮肤组织。这一模拟技术在无创诊断设备和皮肤病学设计中发挥着重要作用，成为一种高效的辅助手段。OAS（光学分析软件）内置了Henyey-Greenstein体散射模型，该模型在生物医学领域被公认为人体组织光散射的典型代表。用户可以通过OAS中的材料定义功能来配置体散射模型。完成材料定义后，即可将其应用于模型中的实体，从而实现对光散射特性的精准仿真。
PPG 传感器的模式设计与人体皮肤模拟
Henyey-Greenstein分布函数可以准确描述混浊介质（例如生物组织）中小颗粒的光线散射。Henyey-Greenstein模型只有一个自由参数，即各向异性因子g。该参数的域区间为[-1,1]，其中g=-1对应反向散射，g=0表示各向同性散射，g=1表示正向散射。散射光的角度分布定义为：
Henyey-Greenstein 模型在人体组织散射中的应用
步骤一：
利用多个矩形体模拟人体皮肤，创建简单材料并设置材料，设置波长和折射率模拟光线进入皮肤不同皮层的光线情况。
分别创建表皮、真皮、真皮与神经层和神经层四种简单材料，波长均为0.5875618微米，在表皮中，设置折射率为1.5，其余三种材料的折射率为1.4。
步骤二：
点击光学特性—体散射，创建henyey-greenstein体散射材料，选择步骤一中所创建的相对应的材料，波长均设为0.6328微米。
创建表皮1，散射10.7，吸收0.43，各向异性0.79。
创建真皮1，散射18.7，吸收0.27，各向异性0.82。
创建真皮与神经层1，散射19.2，吸收0.33，各向异性0.82。
创建神经层1，散射19.4，吸收0.34，各向异性0.82。
步骤三：
创建几何体模拟皮肤组织，禁用重点采样、将模型材料改为对应的体散射材料。创建一个分析平面。
步骤四：
设置朗伯光源模拟红光进入皮肤膜层，在分析平面上设置一个探测器。
模型的3D视图如下：
追迹结果
进行追迹，其追迹结果如下：
通过结果可以看出这是一个正确的皮肤体散射建模。
（本文含有部分AI生成内容，请知悉）
