偏振光助力提升可穿戴健康传感器对各类肤色的测量精度
光电容积脉搏波描记法（PPG）是一种通过光学方式检测血液容积变化的技术，广泛应用于从临床医疗设备到消费级可穿戴设备的多个领域。这类设备能够监测心率、血氧饱和度和睡眠状态，已成为健康追踪领域的重要工具。
尽管PPG技术应用广泛，其测量精度在不同个体之间存在明显差异，尤其是在肤色较深的人群中表现更为显著。黑色素含量较高的皮肤组织会吸收和散射部分入射光，从而影响PPG传感器对血液流动信号的捕捉，导致血氧饱和度等关键生理参数的测量结果出现误差。
技术瓶颈与最新研究进展
为改善PPG的测量质量，当前多数方案主要依赖软件层面的优化策略，如采用高级滤波算法或机器学习模型以抑制运动伪影和信号噪声。但这些方法虽能提升数据质量，却无法从光与生物组织相互作用的物理机制上解决问题。
布朗大学的研究团队在《生物光子学发现》期刊上发表的一篇论文中，提出了一种从光学原理出发的新方法，旨在直接优化PPG信号的生成过程。
偏振敏感PPG传感器的创新原理
研究人员开发出一种新型可穿戴式偏振敏感PPG传感器，其核心在于利用偏振光的方向特性，优先获取来自深层血管的信号，而非易受黑色素干扰的表皮区域。该装置将入射光分为两个偏振通道：一个检测与入射光偏振方向一致的同偏振光，另一个则检测垂直方向的交叉偏振光。
通过这一设计，传感器能够有效抑制表层组织的散射光，从而增强从深层血管组织获取的信号强度。在对涵盖浅色、中等色和深色肤色的志愿者所进行的实验中，交叉偏振模式在655 nm（红色）与940 nm（红外）波段下均表现出更高的灌注指数（PI）值。特别是在深肤色个体中，红色波长下的信号增强效果尤为明显。
对未来可穿戴医疗设备的意义
研究团队表示，此次测试结果尚处于初步阶段，未来将开展更大规模的临床验证。然而，该方法为提升PPG在多样化人群中的性能提供了全新思路，有望推动更加公平、精准的健康监测技术的发展。
“目前大多数PPG设备的研发重点集中在数字信号处理的算法优化，”该项研究的资深作者Kimani C. Toussaint, Jr.表示，“我们作为光学领域的研究者，则从光的物理特性出发，探索如何通过光本身的工程设计来提升信号质量。我们相信，这种从源头解决问题的方法，将为PPG技术带来更具突破性的前景。”
更多信息可参见：
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。
本文由 SPIE 提供。