偏振光技术助力提升可穿戴健康传感器在多种肤色中的检测精度
光电容积脉搏波描记法（PPG）是一种常见的光学传感方式，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等多种产品中，用于测量血液容积的变化，从而获取心率、睡眠状态和血氧饱和度等生理参数。
然而，PPG传感器的检测效果在不同个体之间存在显著差异，其中肤色对测量精度的影响尤为明显。皮肤中黑色素的含量较高时，会增强光的吸收和散射作用，从而降低PPG信号的稳定性与准确性。这在深色皮肤人群中尤为突出，可能导致血氧测量结果出现误差。
现有方法的局限与研究突破
为了优化PPG信号的质量，当前行业主要依赖软件层面的改进手段，例如采用高级滤波算法或机器学习模型来减少因运动干扰或传感器贴合不良导致的噪声。然而，这类方法虽能在一定程度上提升数据可用性，但并未从根本上解决光与皮肤组织之间的物理相互作用问题。
最新发表于《生物光子学发现》（Biophotonics Discovery）期刊的研究中，布朗大学的科研团队提出了一种创新策略，从光的物理行为出发，直接改善PPG信号的采集质量。
偏振敏感传感器的技术原理
研究人员开发了一款新型可穿戴式偏振敏感PPG传感器，通过调控光的偏振特性，有效区分来自皮肤浅层与深层组织的信号。该设备能够将光信号分为两个通道：一个通道检测与入射光偏振方向一致的信号（同偏振光），另一个通道则接收与入射光垂直偏振的光（交叉偏振光）。这种结构设计有助于过滤掉由表层黑色素散射造成的干扰信号，同时增强来自深层血管的信号强度。
在对浅色、中等色和棕色皮肤志愿者的测试中，交叉偏振模式在红光（655 nm）和红外光（940 nm）波长下均表现出更高的灌注指数（PI）。尤其是在深色皮肤样本中，红光波长下的信号提升效果尤为显著。
对PPG技术发展的潜在影响
研究人员强调，虽然目前的结果仍处于初步验证阶段，未来还需进一步扩大测试范围，但这一方法为PPG设备的优化提供了全新思路，有望减少因肤色差异导致的检测偏差，推动医疗和消费级可穿戴设备向更具包容性的方向发展。
“很多PPG设备的设计重心集中在信号处理算法的优化上，”该研究的通讯作者Kimani C. Toussaint, Jr. 表示，“而我们则从光学本身出发，探索如何通过光的工程化来提升信号质量。我们认为，这是迈向更精准PPG测量的新路径，目前的研究只是冰山一角。”
更多信息：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年。DOI：10.1117/1.bios.3.1.012509
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