偏振光可提高可穿戴健康传感器对所有肤色的测量精度
光电容积脉搏波描记法（PPG）作为一种光学传感手段，广泛应用于从医疗级血氧监测仪到消费类智能手环等设备中，用于检测血液容积随时间的变化。这项技术通过发射和接收光线，分析血液流动与氧气饱和度的变化。
然而，PPG在不同个体之间的测量稳定性存在差异，尤其是对深色皮肤的人群来说。皮肤中的黑色素会吸收和散射入射光，从而干扰PPG信号的采集，影响血氧水平等关键生理参数的准确性。这一问题在临床和消费级健康监测设备中尤为突出。
现有方法的局限性与最新突破
当前，提高PPG精度的策略多聚焦于软件层面，例如通过复杂的数字滤波或机器学习模型处理运动伪影或传感器接触不良造成的噪声。尽管这些方法能在一定程度上提升数据质量，但它们未能从根本上改善光在组织中的传播特性。
为了解决光-组织相互作用这一核心问题，布朗大学的研究团队在《生物光子学发现》期刊上发表了一项新研究，提出了一种基于偏振光的创新PPG传感方案。
偏振敏感传感器的创新设计
该团队开发了一种可穿戴的偏振敏感PPG传感器，通过调控光的偏振状态，优先获取来自深层血管的信号，而非表皮中黑色素丰富的区域。该设备将入射光分为两个通道：一个通道检测与入射偏振方向平行的光（同偏振），另一个通道检测与入射方向垂直的偏振光（交叉偏振）。
这种设计有效抑制了表层组织的散射干扰，并增强了来自更深层血流的信号强度。实验结果表明，在涵盖浅色、中等色和深色皮肤的志愿者测试中，交叉偏振通道在红色（655 nm）和红外（940 nm）波段均表现出更高的灌注指数（PI）。特别是对于深色皮肤，在红色波段的信号增强尤为明显。
对PPG技术演进的潜在影响
尽管研究团队强调，当前结果尚处于初步阶段，未来还需更大规模的验证，但这一技术路径为改善PPG信号质量提供了新方向。该方法有望减少健康监测设备在不同人群间的性能差异，提升医疗及消费级可穿戴设备的公平性与适用性。
“当前多数PPG设备的改进集中于数字信号处理算法的优化，”项目负责人Kimani C. Toussaint Jr. 表示，“而我们作为光学工程师，更关注从光子层面入手，提升传感器本身的性能。我们相信，通过操控光的特性，可以实现更高质量的PPG数据采集，而这项研究才刚刚开始。”
更多信息请参阅：Rutendo Jakachira 等，《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
来源：SPIE