偏振光助力可穿戴健康传感器实现跨肤色精准监测
光电容积脉搏波描记法（PPG）作为一项光学传感技术，广泛应用于从医院级血氧仪到消费级可穿戴设备中，用于检测血液容积变化，从而实现心率、睡眠状态及血氧饱和度等生命体征的连续监测。
尽管PPG技术已被广泛采用，其测量精度在不同个体之间仍存在明显差异，尤其受皮肤色素浓度的影响较大。深色皮肤中黑色素含量较高，会吸收和散射入射光，从而干扰PPG信号的获取，降低测量结果的稳定性。这种现象与血氧检测中的误差密切相关。
现有技术局限与研究进展
当前提升PPG精度的方法多依赖软件优化策略，例如使用高级滤波算法或机器学习模型，用于抑制由运动伪影或传感器贴合不良引发的噪声。然而，这类方法主要处理已存在的低质量信号，未能从源头上优化光与组织之间的相互作用。
一项发表于《生物光子学发现》期刊的研究中，布朗大学的研究团队提出了一种新的物理层面的解决方案，旨在直接改善PPG信号质量，从光—组织交互机制入手。
新型偏振传感技术解析
研究人员开发了一款可穿戴型偏振敏感PPG传感器，该设备通过控制光的偏振方向，增强来自深层血管区域的信号响应，同时抑制由表皮黑色素引起的散射干扰。该传感器设计为双通道结构：一个通道专门用于检测与入射光偏振方向一致的光（同偏振），另一个通道用于捕捉垂直于入射光方向的偏振光（交叉偏振），以有效区分深层组织信号与表层噪声。
在涉及不同肤色志愿者的测试中，研究人员发现，使用交叉偏振光在655 nm（红光）与940 nm（红外光）波段下，均能获得更高的灌注指数（PI），这是衡量PPG信号强度的重要指标。特别是在深色皮肤个体中，红光波段下的性能提升尤为显著。
未来医疗与可穿戴设备的潜力
尽管研究团队强调目前的成果仍处于初步阶段，且需通过更大样本量验证其普适性，但这一技术路径为消除PPG系统在跨种族和跨肤色中的测量偏差提供了新思路，有助于推动更具包容性的医疗与消费级可穿戴设备发展。
“大多数PPG设备的关注点集中于软件层面的算法优化，”论文通讯作者Kimani C. Toussaint, Jr.指出，“而我们作为光学工程领域的研究者，则着眼于如何通过光子工程改善原始信号质量。我们认为，这种新方法在提升PPG信号质量方面具有巨大潜力，我们目前的研究仅仅揭开了这一领域的表面。”
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)。DOI: 10.1117/1.bios.3.1.012509
由 SPIE 提供