光学式心率感测器之仿真与设计.pdf

光学式心律感测器之仿真与设计 作者/ 譯者: CYBERNET SYSTEMS TAIWAN 工程師 鄭至翔 Felix Cheng 2wola 心律感测装置可协助用户取得脉搏信息，可应用于医疗领域或穿戴装 置。 常见的类别包含：ECG 传感器（心电图/Electrocardiogram ）与PPG 传感器 （光体积变化描记图/Photoplethysmography ）。 PPG 传感器为光学式心律传感器，可分为穿透式或反射式 。反射式PPG 传 感器之量测区域较不受限，因此可运用于手腕上量测，目前已广泛应用于消费市 场中，如：运动手环、智能手表。 反射式Ppg 传感器架构包含导致光源、光侦测器、挡墙与盖板。导致光源与 光侦测器放置于同侧，光线由导致光源出发，入射皮肤组织与血管后，产生反射 散射光，最终由光侦测器接收。 圖一 PPG感測器原理示意圖 若要于光学软件中设计PPG 传感器，皮肤组织的仿真就显得特别的重要， 皮肤组织属于生物组织的一种，生物组织具有两项重要的光学属性：吸收与 散射。 吸收特性的仿真，通常以穿透率表达。 假设光线通过厚度为Ｌ的组织，则 1 穿透率计算遵循比尔-朗伯定律（Beer–Lambert law ）： 莎益博工程系统开发（上海）有限公司| 上海市肇嘉浜路 777 号5F528 室 021 莎益博工程系统开发（上海）有限公司所有，翻印必究。 光学式心律感测器之仿真与设计 [a+ ，[mm 为吸收系数 ，单位为mm-1 a 散射特性则由Henyey Greenstein 散射模型描述，以下为公式 其中 为散射角度， g 为异向性系数，此系数值介于-1 至+1 之间，可影响散 射的分布。 图二Henyey Greenstein 散射模型之异向性系数变化 LightTools 提供多种体散射材料模型，包含Henyey Greenstein 散射模型，可用于 生物组织之仿真。 2 莎益博工程系统开发（上海）有限公司| 上海市肇嘉浜路 777 号5F528 室 021 莎益博工程系统开发（上海）有限公司所有，翻印必究。 光学式心律感测器之仿真与设计 图三LightTools 体散射材料模型 透过Henyey Greenstein 体散射模型，可自定义生物组织材料，如：皮肤。 设 定之系数包含：折射率、吸收率、平均自由程MFP (mm)/散射系数(μ ) /传播散 s 射系数(μ ’) 、异向性系数(g)与穿透率。 s 图 四LightTools 之 Henyey Greenstein体散射模型 LightTools 提供内建之生物组织材料数据库，这些材料使用Henyey Greenstein 体散射模型进行定义 ，用户可以直接选择适当的生物组织材料进行使用。 3 莎益博工程系统开发（上海）有限公司| 上海市肇嘉浜路 777 号5F528 室 021 莎益博工程系统开发（上海）有限公司所有，翻印必究。