偏振技术助力提升可穿戴健康传感器在所有肤色中的测量精度
光电容积脉搏波描记法（PPG）是一种依赖光学原理的传感技术，广泛用于测量血液容积的变化。这种技术不仅构成了医院级脉搏血氧仪的核心原理，也广泛应用于消费级可穿戴设备中，用于监测心率、睡眠状态以及血氧饱和度。
然而，尽管PPG技术被广泛使用，其测量精度在不同个体之间存在明显差异，尤其受到肤色的影响。肤色较深的人群通常具有更高的黑色素含量，而黑色素会吸收并散射入射光，从而降低PPG信号的可靠性。这一现象可能导致在黑色素含量较高的人群中，血氧饱和度测量出现误差。
研究背景与现有挑战
为了提升PPG测量的稳定性，当前行业主要采用软件层面的优化策略，比如高级滤波技术和机器学习算法，用以抑制由于运动干扰或传感器接触不良带来的噪声。然而，这些方法在处理低质量信号时效果有限，无法从源头上解决光与组织之间相互作用的复杂问题。
近期，布朗大学的研究团队在《生物光子学发现》（Biophotonics Discoveries）期刊上发表的一项研究表明，研究人员提出了一种从光学物理层面优化PPG信号的新思路。
创新传感器的运行机制
该研究团队开发了一款可穿戴的偏振敏感PPG传感器。该设备通过控制光的偏振方向，优先接收来自深层血管的信号，而非那些经富含黑色素的表层组织散射的光线。该设备将光信号分为两个独立通道：一个通道用于检测与入射光方向一致的同偏振光，另一个则检测垂直于入射光方向的交叉偏振光。这种设计能够有效过滤表层组织的散射光，同时增强来自深层血管的信号强度。
在对包含浅色、中等色及较深色皮肤的志愿者进行的实验中，研究人员发现，交叉偏振配置在红色（655 nm）和红外（940 nm）两个波长下均显著提高了灌注指数（PI）——一个衡量信号强度的指标。特别是在深色皮肤人群中，红色波长下的信号增强最为明显。
对PPG技术发展的潜在影响
研究团队指出，目前的实验结果仍处于初步阶段，未来还需开展更大规模的临床验证。不过，这项研究为改进PPG技术提供了新方向，有望减少当前基于PPG的医疗和消费级可穿戴设备在测量过程中对肤色的敏感性，推动更具包容性的健康监测技术的发展。
“当前大部分PPG设备的研发重点集中于数字信号处理算法的优化，”论文资深作者Kimani C. Toussaint, Jr.表示，“而我们作为光学研究者，更关注如何通过改变光本身的特性来提升信号质量。我们认为，这种方法可以为PPG技术带来更高质量的信号采集，而目前的研究只是这一新方向的起点。”
更多信息可参考：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》，发表于《生物光子学发现》，2025年。DOI：10.1117/1.bios.3.1.012509
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