偏振光助力提升可穿戴健康传感器对多种肤色的测量精度
光电容积脉搏波描记法（PPG）是一种利用光学原理监测血液容积变化的技术，广泛应用于从医院级血氧监测仪到消费类智能穿戴设备等多种场景，用于追踪用户的心率、睡眠状况以及血氧饱和度。
尽管PPG技术应用广泛，其测量精度在不同人群中仍存在明显差异，尤其受到肤色影响较大。深色皮肤中较高的黑色素含量会吸收并散射入射光，进而导致信号质量下降，影响测量的可靠性。这种情况在血氧测量中尤为明显，可能造成误差。
现有挑战与最新研究进展
目前，大多数提升PPG精度的手段集中在软件层面，例如采用高级滤波技术或机器学习算法，以抑制由身体运动或传感器贴合不稳引起的噪声。然而，此类方法主要作用于信号处理阶段，难以从源头改善光与组织之间的相互作用。
一项发表于《生物光子学发现》的研究由布朗大学团队完成，提出了一种从光学原理入手、改善PPG信号质量的新策略。
新型传感器的技术原理
研究团队开发了一种集成偏振敏感功能的可穿戴PPG传感器，该装置通过调节光的偏振方向，优先采集来自深层血管的信号，而避开富含黑色素的浅层组织干扰。该系统将光分为两条路径：一条检测与入射方向相同偏振的光（同偏振），另一条检测与入射方向垂直偏振的光（交叉偏振）。这种设计有效过滤掉表层组织的散射光，增强了来自深层组织的信号。
在覆盖浅色、中等色和深色皮肤的志愿者测试中，交叉偏振模式在655纳米（红色）和940纳米（红外）波长下均显示出更高的灌注指数（PI）——这是衡量信号强度的关键指标。在深色皮肤样本中，红色波长下的改进效果尤为显著。
对PPG传感器未来发展的潜在影响
尽管研究团队强调当前成果仍处于初步阶段，并计划开展更大规模的验证实验，但这一方法有望减少基于PPG技术设备在不同人群中的性能差异，推动更公平、更普适的健康监测设备发展。
“目前大多数PPG设备的研发重点集中在数字信号处理的优化上，”该研究的资深作者Kimani C. Toussaint, Jr.表示，“而我们从光学角度出发，尝试通过对光本身的特性进行工程化处理，来获取更高质量的PPG信号。我们认为这项研究才刚刚开始，未来还有很大探索空间。”
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。