偏振光助力可穿戴健康传感器实现多肤色精准监测
光电容积脉搏波描记法（PPG）作为一种光学传感技术，被广泛应用于从医疗级血氧仪到消费级可穿戴设备的多种产品中，用于测量血液容量的动态变化，以监测心率、睡眠质量及血氧饱和度。
尽管PPG技术已被广泛采纳，但其测量精度在不同个体之间存在显著差异，尤其受到肤色的影响。由于深色皮肤含有更高浓度的黑色素，而黑色素具有较强的光吸收和散射能力，这可能导致测量信号的衰减，进而影响数据的可靠性。这种现象在血氧浓度测量中尤为明显。
技术瓶颈与最新进展
当前，为提升PPG测量精度所采取的策略，大多依赖软件层面的优化，如高级滤波算法或机器学习模型，以减少因运动伪影或传感器接触不良带来的噪声。然而，这类方法仅能在信号处理阶段改善数据质量，无法从源头上解决光与组织相互作用引发的根本问题。
发表于《生物光子学发现》期刊的一项最新研究中，布朗大学的科研团队提出了一种从光学物理层面优化PPG信号质量的新思路。
基于偏振特性的新型PPG传感器
研究人员开发出一款具有偏振灵敏度的PPG传感器，通过调控光的偏振方向，优先捕获来自深层血管的信号，从而避开富含黑色素的表层组织的干扰。该设备将入射光分为两个独立通道：一个通道检测与入射光方向一致的同偏振光，另一个通道则专门收集垂直于入射光方向的交叉偏振光。这种设计有效抑制了表层光的散射，提升了来自深层组织的信号强度。
在对不同肤色（包括浅色、中等色和深色）的志愿者进行的测试中，研究人员发现，在红色波长（655 nm）和红外波长（940 nm）下，交叉偏振检测方式持续提供了更高的灌注指数（PI）——这一指标用于量化信号强度。特别是在深色皮肤个体中，红色光波段的信号改善效果尤为突出。
对PPG技术发展的潜在影响
尽管研究团队强调当前成果仍处于初步验证阶段，且未来还需更大规模的临床试验，但该方法为提升PPG技术在多肤色人群中的准确性提供了新的方向。
“大多数PPG设备的研发重点集中在信号处理算法上，”本研究的资深作者Kimani C. Toussaint, Jr.表示，“而我们作为光学研究者，选择从光源本身入手，通过优化光的物理特性来提高信号质量。我们认为，这种方法代表了PPG技术发展的一种全新可能。”
更多信息请参阅：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
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