偏振光技术助力可穿戴健康传感器提升跨肤色群体测量精度
光电容积脉搏波描记法（PPG）作为测量血液容积波动的核心光学技术，广泛应用于从医疗级血氧仪到消费类可穿戴设备。这类设备通常用于监测心率、血氧饱和度及睡眠状态。
然而，PPG在不同个体之间的表现存在显著差异，尤其在肤色较深的人群中更为明显。由于黑色素在表层皮肤中的高含量，会吸收和散射检测光，从而导致信号失真，影响测量结果的稳定性与准确性，尤其在血氧测量中表现尤为突出。
现有技术局限与研究新方向
目前，提高PPG信号质量的主流方式主要依赖于软件层面的优化策略，如高级滤波算法或机器学习模型，用于消除由运动干扰或传感器贴合不良引起的噪声。
但这类方法难以从源头解决光与皮肤组织相互作用的问题。在最新一期《生物光子学发现》期刊上，布朗大学的研究团队提出了一种新的解决方案，从光学层面优化PPG信号的采集质量。
偏振敏感传感器的设计与优势
研究团队开发了一款具备偏振分辨能力的PPG传感器，通过利用偏振光的特性，优先采集来自深层血管的信号，从而有效避开富含黑色素的皮肤表层带来的干扰。
该传感器将入射光分为两个通道：一个通道用于检测与入射光方向一致的同偏振光，另一个则用于捕捉垂直于入射光方向的交叉偏振光。这种设计能够有效过滤表层散射光，增强来自深层组织的信号强度。
在涵盖浅色、中等色及深色皮肤的志愿者测试中，交叉偏振光在红色（655 nm）和红外（940 nm）波段均显示出更高的灌注指数（PI），尤其在深色皮肤的红色波段效果尤为明显。
对PPG技术发展的潜在影响
研究团队指出，尽管当前成果仍处于初步阶段，未来还需更大规模的验证，但这一技术路径为减少基于PPG的健康监测设备在不同肤色人群中的性能差异提供了新思路。
“当前大多数PPG设备的研发重点集中在数字信号处理算法的改进，”该研究的通讯作者Kimani C. Toussaint Jr. 表示，“而我们则从光学本身的工程角度出发，尝试通过光场特性的优化来提升信号质量。我们认为，这可能是一条尚未被广泛探索的、更具潜力的技术路线。”
相关成果已发表于《生物光子学发现》杂志，题为《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》（Rutendo Jakachira 等，2025）。DOI：10.1117/1.bios.3.1.012509
来源：SPIE