偏振光技术助力提升可穿戴健康传感器在不同肤色中的测量精度
光电容积脉搏波描记（PPG）是一种光学检测手段，通过监测血液容积变化来获取生理信号。这项技术广泛应用于从医疗级血氧仪到消费级智能手表等各类设备中，用于测量心率、睡眠质量以及血氧饱和度。
尽管PPG技术应用广泛，其测量精度在不同个体之间存在较大差异，尤其在肤色较深的人群中表现更为明显。由于黑色素含量较高，这些个体的皮肤对光的吸收和散射作用更强，从而影响了传感器获取的信号质量，导致血氧测量结果的可靠性下降。
现有技术面临的挑战与最新研究进展
目前，提升PPG测量精度的方法主要集中在软件层面，例如采用高级滤波算法或机器学习模型来消除运动噪声或传感器松动带来的干扰。然而，此类方法仅能优化已有信号，无法从源头上解决光与生物组织之间的物理交互问题。
为应对这一挑战，一项发表在《生物光子学发现》期刊上的研究提出了全新的思路。该研究由布朗大学团队主导，探索了如何从光-组织相互作用的物理层面改善PPG信号的质量。
偏振敏感PPG传感器的创新设计
研究人员开发了一款基于偏振光原理的可穿戴PPG传感器。该装置利用光的偏振特性，优先捕捉来自深层血管的信号，而非富含黑色素的皮肤表层。传感器将入射光分为两个路径：一个通道接收与入射光偏振方向一致的光（同偏振光），另一通道则检测与入射光偏振方向垂直的光（交叉偏振光）。这种双通道设计有助于排除表层散射光的干扰，提升来自深层组织的信号强度。
在针对浅色、中等色和深色皮肤的志愿者进行的实验中，交叉偏振模式在红光（655 nm）和近红外光（940 nm）波段均表现出更高的灌注指数（PI），尤其是在深色皮肤个体的红光波段中，信号质量提升尤为显著。
对PPG技术未来发展的启示
尽管研究者指出实验结果尚属初步阶段，仍需更大样本量验证，但该技术有望减少当前PPG设备在不同肤色人群中的测量偏差，为开发更公平、更具包容性的可穿戴健康监测产品铺平道路。
“传统PPG设备往往依赖算法改进来提升性能，”该研究的资深作者Kimani C. Toussaint, Jr. 表示，“而我们则从光学本身的特性入手，尝试通过操控光的偏振特性来优化信号获取方式。我们认为，这种新型方法在提升PPG信号质量方面具有巨大潜力，而目前的研究仅仅是个开始。”
更多信息可参考：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。
由SPIE提供。