偏振光技术提升可穿戴健康传感器对不同肤色的测量准确性
光电容积脉搏波描记法（PPG）作为一种基于光学原理的传感技术，广泛应用于从医院级别的血氧监测仪到消费类可穿戴设备。这些设备能够追踪心率、睡眠质量以及血氧水平等健康指标，是现代健康监测系统的核心组成部分。
尽管PPG技术具备广泛应用潜力，但其测量精度在不同个体之间存在显著差异，尤其受到肤色的影响。黑色素含量较高的深色皮肤会吸收和散射光线，从而干扰PPG信号的稳定性，导致血氧水平等关键数据的可靠性下降。
当前面临的挑战与最新研究动态
为改善PPG的精度，目前行业主流的解决方法多集中于软件层面，如采用高级滤波算法或机器学习技术，以减少由运动伪影或传感器接触不良所产生的噪声。然而，这些手段主要针对信号处理阶段的优化，难以从源头上改善光在生物组织中传播的物理特性。
在最新发表于《生物光子学发现》期刊的研究中，布朗大学科研团队提出了一种突破性方案，从光学层面入手，直接优化光-组织相互作用过程，以提升PPG信号的质量。
新型偏振敏感PPG传感器的运行机制
该研究团队开发了一款创新的可穿戴式偏振敏感PPG传感器，其核心原理在于利用光的偏振特性，以增强来自深层血管的信号采集能力，同时削弱表层富含黑色素组织的干扰。该传感器通过将入射光分离为两个路径：一条检测与入射光方向一致的同偏振光，另一条则检测垂直方向的交叉偏振光。
这一设计有助于过滤掉表层散射光，从而增强来自皮下血流的信号强度。在涉及浅色、中等色和深色皮肤志愿者的实验中，研究人员发现，采用交叉偏振配置的传感器在红光（655 nm）和红外光（940 nm）波段下均表现出更高的灌注指数（Perfusion Index, PI）——该指标直接反映PPG信号质量。尤其是在深色皮肤个体中，红光波段下的性能提升尤为显著。
该技术对PPG传感器未来发展的潜在意义
研究团队强调，尽管目前的数据仍处于初步验证阶段，未来还需要更大规模的临床测试，但这项技术有望显著降低PPG设备在不同肤色人群中的测量偏差，从而推动医疗与消费级可穿戴设备朝着更具包容性与公平性的方向演进。
“大多数PPG设备的研发重点都放在数字信号处理算法上，”研究负责人Kimani C. Toussaint, Jr. 表示，“而我们作为光学研究者，更关注如何从物理层面改进光源特性，以获得更高质量的PPG信号。我们认为这代表了一种全新的技术路径，而目前的研究仅揭开了冰山一角。”
更多信息请参见：Rutendo Jakachira 等人，《针对不同肤色人群的偏振敏感双波长可穿戴光电容积脉搏波描记传感器的评估》，《生物光子学发现》(2025)。DOI：10.1117/1.bios.3.1.012509
资料来源：SPIE