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法（PPG）作为一种光学传感技术，广泛应用于从医疗级血氧监测设备到消费类可穿戴设备中，用于检测血液体积变化，从而追踪心率、血氧水平和睡眠质量。
尽管PPG技术已被广泛采用，但其测量结果在不同人群中的准确性存在显著差异，尤其是肤色较深的个体，其测量误差相对较高。这主要是由于黑色素含量较高会吸收和散射入射光，从而干扰PPG信号的质量，导致血氧饱和度等关键参数的测量结果不够稳定。
现有问题与研究进展
为解决PPG信号的噪声干扰问题，当前的多数解决方案集中于软件层面，例如使用高级滤波技术或机器学习算法，以消除因运动、皮肤接触不良等因素导致的信号失真。
然而，这些方法往往只针对已有的低质量信号进行优化，未能触及造成信号劣化的根本原因——即光与人体组织之间的相互作用。
新型传感器的原理与优势
在最新发表于《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基于偏振光调控的PPG传感器设计，旨在从光学层面对PPG信号进行优化。
该传感器利用偏振光的特性，区分来自表层组织与深层血管的光信号。具体而言，其结构分为两个通道：一个用于检测与入射光偏振方向一致的信号，另一个检测与其垂直的交叉偏振光。这种设计能够有效抑制表层黑色素引起的散射光，从而增强来自深层血流的信号强度。
在对多种肤色类型（浅色、中色及棕色）的志愿者进行的测试中，研究人员发现，交叉偏振模式在红光（655 nm）与红外光（940 nm）波段均表现出更高的灌注指数（PI），尤其在深色皮肤个体中，红光波段的信号增强效果尤为明显。
偏振PPG技术的前景
尽管这项研究尚处于初步验证阶段，未来还需更大样本量的临床实验，但其在减少PPG测量偏差方面展现出的潜力，有望推动更公平、更准确的健康监测设备的发展。
“当前多数PPG传感器的研发方向集中在数字信号处理算法上，”该研究的通讯作者Kimani C. Toussaint, Jr. 表示，“而我们作为光学工程师，则选择从光本身的特性入手，探索如何通过物理手段提升信号质量。我们认为，这可能只是发现更可靠PPG传感方案的开始。”
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
本文由SPIE提供。