偏振光助力提升可穿戴健康传感器的跨肤色准确性
光电容积脉搏波描记技术（PPG）作为一种光学传感手段，广泛应用于从医疗级别的血氧监测设备到消费级可穿戴设备，用于追踪心率、睡眠状况和血液氧合水平。
尽管PPG技术在各类设备中发挥着重要作用，其测量的可靠性在不同人群之间存在显著差异，尤其是在不同肤色个体中的表现不一。深色皮肤中黑色素浓度较高，这种成分会吸收并散射光信号，从而导致测量结果的不稳定。这一现象与深色皮肤个体在血氧测量中出现误差的问题密切相关。
现有挑战与最新研究成果
目前，提升PPG测量精度的方法主要集中在软件层面，如使用先进的滤波技术和机器学习算法来降低因运动或传感器贴合不佳所引起的信号噪声。但这些方法往往只能改善信号质量，而无法从根本上解决光在组织中的传播问题。
布朗大学的研究团队在《生物光子学发现》期刊上发表了一项研究，提出了一种全新的技术路径，直接针对PPG信号在光学层面的采集问题。
新型传感器的设计原理
研究人员开发了一款可穿戴的偏振敏感PPG传感器，通过利用光的偏振方向，优先收集来自深层血管区域的信号，而非表皮黑色素浓度较高区域的干扰信号。该设备将光信号分为两个通道：一个通道用于检测与入射光方向一致的同偏振光，另一个通道则检测与入射光方向垂直的交叉偏振光。这种结构设计有助于消除表层组织的散射干扰，并增强从深层组织返回的信号强度。
在一项测试中，研究人员招募了涵盖浅色、中等色及深色肤色的志愿者，测试结果显示，在红色（655 nm）和红外（940 nm）波长下，交叉偏振模式均能产生更高的灌注指数（PI），这是衡量信号强度的一项关键指标。尤其是在深色皮肤个体中，红色波长下的信号改善尤为明显。
对PPG技术未来发展的启示
研究团队强调，目前的结果尚处于初步阶段，未来还需进行更大规模的验证。然而，这项研究为减少PPG技术在不同肤色群体间的测量偏差提供了新思路，并可能推动更公平、更精准的医疗与消费类可穿戴设备的发展。
“目前大多数PPG设备的发展集中于数字信号处理算法的改进，”该研究的高级作者Kimani C. Toussaint, Jr. 表示，“而我们作为光学研究者，则着眼于光本身的工程设计。我们相信，这种技术路径能够带来更高质量的PPG信号采集，而目前的研究仅仅是这一方向的初步探索。”
更多信息请参阅：Rutendo Jakachira 等人，《用于不同肤色人群的偏振敏感双波长可穿戴PPG传感器的评估》，《生物光子学发现》(2025)。DOI：10.1117/1.bios.3.1.012509
资料来源：SPIE 提供。