PPG感測器重皮膚模擬
PPG感測器為光學式心律感測器，可分為穿透式或反射式。反射式PPG感測器之量測區域較不受限，因此可運用於手腕上量測，目前已廣泛應用於消費市場中，如：運動手環、智慧手表。反射式PPG感測器架構包含LED光源、光偵測器、擋牆與蓋板。LED光源與光偵測器放置於同側，光線由LED光源出發，入射皮膚組織與血管後，產生反射散射光，最終由光偵測器接收。
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要於光學軟體中設計PPG感測器，皮膚組織的模擬就顯得特別的重要，皮膚組織屬於生物組織的一種，生物組織具有兩項重要的光學屬性：吸收與
散射。吸收特性的模擬，通常以穿透率表達。假設光線通過厚度為Ｌ的組織，則穿透率計算遵循比爾-朗伯定律(Beer–Lambert law)：
其中ma為吸收係數，單位為mm-1 。射特性則由Henyey Greenstein散射模型描述，以下為公式：
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其中q為散射角度，g為異向性係數，此係數值介於-1至+1之間，可影響散射的分布。
LightTools提供多種體散射材料模型，包含Henyey Greenstein散射模型，可用於生物組織之模擬。
透過Henyey Greenstein體散射模型，可自訂生物組織材料，如：皮膚。設定之係數包含：折射率、吸收率、平均自由程MFP (mm)/散射係數(μs) /傳播散射係數(μs’)、異向性係數(g)與穿透率。
LightTools提供內建之生物組織材料資料庫，這些材料使用Henyey Greenstein體散射模型進行定義，使用者可以直接選擇適當的生物組織材料進行使用。
皮膚組織模型的建構可直接套用材料資料庫中內建的生物組織材料，模型各層之間的介面則可使用自動光膠功能，去除中間的空氣層，確保模擬正確性。
在LightTools中以平行光源入射皮膚模型的模擬結果(圖7)。
模擬/設計/分析
以下內容將介紹PPG感測器之案例，說明如何在LightTools中建立模型，並進行模擬、分析與設計。PPG感測器模型包含：LED 光源、光偵測器、擋牆、底座、外殼、封裝膠與蓋板。透過LightTools內建之物件功能與布林運算功能可建立PPG感測器之幾何模型。
光偵測器、擋牆、底座與外殼之表面光學材質設定為吸收，蓋板與封裝膠表面光學材質為平滑光學，設定非涅爾損耗。蓋板材料折射率為1.43，封裝膠則使用內建資料庫材料DowcorningMS_1003_Moldable_Silicone。
光源以表面光源建構，光強度Imax為1.5 mcd。光譜之波段為綠光，中心波長為：535 nm。光形與光譜則如圖10與11。
在光偵測器物件之上表面直接建構表面接收器，偵測器之光譜響應則可以利用鍍膜功能進行設定。
如果希望模擬外在環境光對於PPG感測器的影響，使用內建太陽光源工具建立太陽光源。
直射太陽光與漫射太陽光皆設定光源定位區域，限定光線朝向定位區域追跡，以提升光線採樣效率。
初步的模擬結果如圖16，LED光源入射皮膚組織，經皮膚組織體散射後追跡至光偵測器，此光線路徑通常為弧狀的路線，稱之為Banana-Shaped Light。
光偵測器接收的光線可能來自LED光源或外在環境光，有用的訊號為LED光源入射皮膚組織，經體散射至光偵測器的光線，其他的雜散光則可能干擾有用的訊號。雜散光的來源可能來自LED光源入射蓋板表面，反射至光偵測器，或者當蓋板未完全接觸皮膚表面時，LED光源入射皮膚表面，反射至光偵測器。除此之外，也可能由環境光間接入射光偵測器。在LightTools中使用接收器過濾器、區域分析與光線路徑功能，可區分出這些光線，協助後續分析與設計。
此案例使用的過濾器包含光源過濾器與體積介面過濾器。光源過濾器可分析LED光源或環境光的貢獻，體積介面過濾器則可分析經皮膚組織體散射的光線。
若要顯示過濾器過濾出的光線預覽，則可使用區域分析功能。將區域尺寸與網格範圍設定相同的大小，切換過濾器條件時，即可顯示相對應的預覽光線。
為了方便分析不同的過濾器條件之狀態，可透過配置功能，在同一個模型下設定多種配置條件，使用者可快速切換至不同的配置進行模擬或分析。
雜散光分析則可藉由光線路徑功能，記錄光線在系統行進的所有光學路徑，結果包含各路徑的功率、光線數與循序經過每個表面的資訊。
當系統中無擋牆設計時，LED光源光線入射蓋板之前後表面，反射至光偵測器形成雜散光，加入擋牆後，蓋板前表面之反射已阻隔，仍有蓋板後表面之反射，但能量已減弱。
藉由參數分析程式進行分析，可探討擋牆厚度變化對於蓋板後表面反射雜光的影響，此工具可掃描不同的模型條件，並自動化儲存網格數據、圖像與模型於特定資料夾中。
擋牆寬度需設定為變數，接收器的入射功率則設定為評價函數進行掃描，寬度由0.1 mm到0.4 mm，每0.05mm掃描一個值，共7筆數據，最終設計中，寬度在0.35mm時，已可阻擋大部分的雜光。
光源與光偵測器間距亦會影響有效訊號與雜散光，因此第二部份我們試著改變光源與光偵測器間距，分析有效訊號與雜散光之間的能量變化，以設計出較佳的結果。利用參數控制定義LED與光偵測器之距離參數，並建立訊號與雜訊之比例運算式。
再藉由參數分析程式進行分析，將光源與光偵測器的間距設定為變數，各接收器的入射功率與能量值設定為評價函數，掃描光源與光偵測器的間距，由1.5mm到2.3mm，每0.1mm掃描一個值，共9筆數據。
由掃描結果可得知，光源與光偵測器的間距為1.5 mm時，LED光源之皮膚組織體散射能量較強，LED光源之雜散光能量較低，訊雜比為2.36。
最後，將光源數量增加為兩顆LED，LED以對稱方式排布，可提高有效訊號的能量，降低環境光的影響。
最終的模型，皮膚組織的體散射能量增加，訊雜比則由原本2.36提升至3.99。
(本文作者為思渤科技應用工程師)
