偏振光技术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）作为一项成熟的光学传感技术，广泛应用于从临床级脉搏血氧仪到消费级可穿戴设备的多种场景，用于监测心率、血氧饱和度和睡眠状态等生理参数。其核心原理是通过检测血液容量随心脏跳动而产生的光吸收变化来获取生命体征数据。
尽管PPG技术已经深入各类医疗与消费电子设备，其测量精度却因个体差异而波动，尤其是受到肤色的影响显著。深层的黑色素沉积会增加对入射光的吸收和散射，从而削弱PPG信号的强度与稳定性。这一现象在深色皮肤人群中尤为明显，可能导致血氧监测数据失真。
现有挑战与研究进展
当前提升PPG性能的策略主要依赖于软件层面的优化，如采用高级滤波算法或基于机器学习的数据处理方法，用以抑制由运动伪影或传感器贴附不良引起的干扰。然而，这些后处理技术往往难以从源头上改善信号质量，尤其是在光与组织相互作用的物理层面。
在最新发表于《生物光子学发现》期刊的研究中，来自布朗大学的研究团队提出了一种从光学设计角度优化PPG性能的创新方法，旨在从光与皮肤组织交互的根本机制出发提升信号质量。
新型偏振敏感PPG传感器的工作原理
研究人员开发了一款集成偏振探测功能的可穿戴PPG传感器，通过控制和分析光的偏振状态，增强来自皮下血管的信号，同时减少因表层黑色素引起的光散射干扰。该传感器设计了两个独立的光检测通道：一条通道专用于同偏振光（与入射光偏振方向一致），另一通道则用于捕捉交叉偏振光（与入射方向垂直）。这种分路检测方式有助于过滤表层噪声，提升来自血管系统的信号强度。
在涉及浅色、中等色及深色皮肤志愿者的实验中，研究人员观察到，在红色（655 nm）与红外（940 nm）波长下，交叉偏振模式持续输出更高的灌注指数（PI）——这一指标通常反映组织血流情况。对于深色皮肤样本，在红光波段的信号提升尤为明显。
对PPG技术发展的潜在影响
尽管研究者强调当前实验仍处于初步阶段，需要更广泛的数据验证，但这种利用偏振光学原理的新方法，有望显著改善PPG系统在不同肤色人群中的性能一致性，从而推动医疗与可穿戴设备领域的公平性与包容性。
“多数PPG设备的研发重点集中在数字信号处理的算法改进上，”本研究的通讯作者 Kimani C. Toussaint, Jr. 表示，“而我们作为光学工程师，更关注如何通过物理光场的调控来提升信号质量。我们认为，这项研究揭示了一种新的、更精确的PPG信号获取路径，而目前的成果仅仅是探索的开始。”
更多信息请参见：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。
原文由 SPIE 提供。