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的多种产品中。该技术通过检测血液容积的变化，能够追踪用户的心率、睡眠质量以及血氧水平。
尽管PPG技术应用广泛，但其测量的准确性在不同个体之间存在较大差异，特别是受到皮肤色素含量的影响。黑色素含量较高的皮肤会吸收并散射部分光线，从而削弱PPG信号，降低数据的可靠性。这一问题尤其影响血氧测量的准确性。
技术难点与最新突破
目前，为了提高PPG的精度，业界多依赖软件层面的优化，如高级滤波算法或机器学习模型，以去除由运动干扰或传感器接触不良产生的噪声。然而，这类方法往往仅能改善信号质量，却无法从源头上解决光与皮肤组织相互作用的问题。
在《生物光子学发现》期刊上发表的一篇论文中，布朗大学的研究团队提出了一项新思路，即从光学设计层面优化PPG性能，以更根本地提升信号质量。
创新传感器的设计与运作机制
研究人员开发了一款可穿戴的偏振敏感PPG传感器，该设备利用光的偏振特性，优先采集来自深层血管区域的信号，而非皮肤表层富含黑色素的区域。该传感器将入射光分为两个通道：一个通道检测与原始入射光偏振方向相同的光，另一个通道则检测垂直于原始偏振方向的交叉偏振光。
通过这种方式，设备能够有效过滤掉表层组织的散射光，增强来自深层组织的信号强度。在一项涉及不同肤色人群的实验中，研究人员发现，使用交叉偏振光技术在红色（655 nm）和红外（940 nm）波段下均能提升灌注指数（PI），其中在深色皮肤上，红色波段的改善效果尤为明显。
未来对PPG技术的潜在影响
尽管研究者强调目前的成果尚处于初步阶段，且需要更大规模的临床验证，但这项技术为改善PPG设备在不同肤色人群中的性能提供了新的方向。
“大多数PPG设备的发展重心集中在数字信号处理上，”论文的通讯作者Kimani C. Toussaint, Jr.表示，“而我们作为光学研究者，更倾向于从光本身出发，探索如何通过光学工程来提升信号质量。我们相信，这类方法可能为PPG技术带来更准确、更公平的监测能力。”
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
内容来源：SPIE