Скачать электронную версию статьи (в свободном доступе).
Статья посвящена изучению физических механизмов формирования сигнала фотоплетизмографии (ФПГ) при помощи моделирования распространения света в биологической ткани методом Монте-Карло. Решается задача оценки вклада вариаций поглощения и рассеяния в регистрируемый ФПГ-сигнал. На основе трехслойной модели кожи последовательно моделировались изменения оптических свойств дермального слоя (поглощение и рассеяние) и оценивался их вклад в суммарный сигнал. Расчеты были проведены для двух длин волн – 525 и 810 нм. Было установлено, что для зеленого света основной вклад в формирование сигнала вносит поглощение (88 % против 12 % рассеяния соответственно). В то время как для ближнего инфракрасного света рассеяние преобладает над поглощением. Доли вклада поглощения и рассеяния в этом случае составляют 28 % и 72 % соответственно. Таким образом, для зеленого диапазона длин волн справедлива классическая объемная модель формирования сигнала. Тогда как для ближнего инфракрасного диапазона преобладающим в формировании сигнала является рассеяние среды, которое может меняться за счет таких процессов, как изменения ориентации, агрегации и деформации эритроцитов, их концентрации в диагностическом объеме ткани и т.д.
Ключевые слова: фотоплетизмография, поглощение, рассеяние, моделирование, метод Монте-Карло
The paper is devoted to the study of physical mechanisms of photoplethysmography (PPG) signal formation using Monte Carlo simulations of light transport in biological tissue. The problem of estimating the contribution of absorption and scattering variations to the registered PPG signal is solved. Based on a three-layer skin model, changes in the optical properties of the dermal layer (absorption and scattering) were sequentially simulated and their contributions to the total signal were estimated. Calculations were carried out for two wavelengths, 525 nm and 810 nm. It was found that for green light the main contribution to the signal formation is made by absorption (88 % versus 12 % scattering, respectively). While for the near-infrared light, scattering predominates over absorption. In this case, the contributions of absorption and scattering are 28 % and 72 %. Thus, for the green wavelength range the classical volumetric model of signal formation is valid. Whereas for the near-infrared range, the predominant factor in signal formation is scattering of the medium, which can change due to processes such as changes in orientation, aggregation and deformation of red blood cells, their concentration in the diagnostic volume of tissue, etc.
Key words: photoplethysmography, absorption, scattering, Monte-Carlo simultions
DOI: 10.52775/1810-200X-2024-101-1-44-52