Ansys Zemax | 如何建模人体皮肤以及光学心率探测器

引言

光电容积脉搏波法（PPG）是一种经济高效、无创的光学测量技术，适用于直接在皮肤表面获取生理数据，广泛运用于现代可穿戴设备中，如智能手表和运动手环上的心率传感器，为用户提供日常环境下的舒适且连续的心率监测。本文旨在说明如何在 Zemax OpticStudio 这一功能性强大的光学软件中构建对人体皮肤组织的的模型，以及利用 ZOSAPI 进行姿态相关的光电容积脉搏波测量信号的模拟。

PPG 技术简介

PPG 设备融合了波长在红外或可见光范围内的发光二极管（LED）和光电探测器，能够通过检测组织内血容量的动态变化来捕捉脉搏信号，而血液固有的高吸收和散射特性使之成为高效的检测工具。血液的波动会导致探测器信号出现相反的相位变化，进而描绘出脉搏率。

人体皮肤模型构建

为了在 OpticStudio 中模拟人体皮肤组织，首先构建一个层层堆叠的模型，囊括表皮、真皮和皮下脂肪，重点进行心率传感器核心功能——测量血液脉动筛选相关层准确建模。基于文献数据，选择合适的波长（本例中为 575nm）及光源（如 Avago Technologies 的 QSMFC160 LED），并适当处理皮肤各层的几何尺寸，确保模型在皮肤空气界面无漏光情况发生。整个模型均利用矩形物体表示，通过上层参数求解映射至下层，确保各层紧密接合。




自定义组织结构

研究依赖文献数据完成模型构建，该过程并未进行原创数据测量。值得注意的是，人类皮肤的光学特性在不同人群中可能存在显著差异，因此，特定应用可能需要根据实际需求调整模型参数。细粒度血流表示所需数千个复杂排列的物质模型会降低模型的一般实用性。

光线传输模拟与探测器设置

基于构建的人体皮肤模型，OpticStudio 通过光线传输模拟实现情境再现。模型单次插入三个矩形探测器，与皮肤表面间设置微薄空气间隙，用于测量所有入射光和反向散射光。其中，一特定探测器尺寸较小（2mm x 2mm），模拟可穿戴 PPG 设备中的光电探测器典型特征。

心率传感器模拟能力讨论

时间相关性是研究心率监测的关键。针对市场应用的包含探测器信号随时间变化的效应模拟，直接采用已构建模型的固有特征。借助 ZOSAPI，轻松调整皮肤层内血液含量，通过心脏周期不同阶段的实际参数，校准散射、吸收系数及各向异性因子，直观展示背散射功率的变化。

结果与应用后处理

模型模拟结果显示，血含量脉动导致检测器信号的变化幅度在 10~15%，与文献中观察到的数据相符。在商业化应用中，通常需要对原始信号进行平滑处理与峰值检测，以准确计算心率。

武汉格发信息技术有限公司，格发许可优化管理系统可以帮你评估贵公司软件许可的真实需求，再低成本合规性管理软件许可,帮助贵司提高软件投资回报率，为软件采购、使用提供科学决策依据。支持的软件有: CAD,CAE,PDM,PLM,Catia,Ugnx, AutoCAD, Pro/E, Solidworks ,Hyperworks, Protel,CAXA,OpenWorks LandMark,MATLAB,Enovia,Winchill,TeamCenter,MathCAD,Ansys, Abaqus,ls-dyna, Fluent, MSC,Bentley,License,UG,ug,catia,Dassault Systèmes,AutoDesk,Altair,autocad,PTC,SolidWorks,Ansys,Siemens PLM Software,Paradigm,Mathworks,Borland,AVEVA,ESRI,hP,Solibri,Progman,Leica,Cadence,IBM,SIMULIA,Citrix,Sybase,Schlumberger,MSC Products...