偏振光技术增强可穿戴健康传感器在不同肤色人群中的测量精度
光电容积脉搏波描记法（PPG）是一种广泛采用的光学传感技术，常用于监测血液容量变化，涵盖从医用级血氧仪到消费级可穿戴设备等多种应用场景，用于追踪心率、睡眠质量以及血氧饱和度等关键生理参数。
尽管PPG技术应用广泛，其测量精度在不同个体之间仍存在明显差异，尤其受到皮肤色素浓度的影响较大。皮肤中黑色素的含量较高，会吸收和散射入射光，从而降低信号质量，导致测量结果的不确定性。这种现象与深色皮肤人群在血氧监测中出现的误差密切相关。
现有技术局限与研究进展
当前，提升PPG精度的多数方案依赖于软件层面的优化，例如使用高级滤波算法或机器学习模型，以降低由运动干扰或传感器贴合度不佳造成的噪声。然而，这类方法仅能对已有数据进行后处理，难以从根本上解决光与生物组织相互作用所导致的信号质量问题。
近期发表于《生物光子学发现》期刊的一篇研究中，布朗大学的研究团队提出了一项突破性策略，从光学设计层面优化PPG信号质量，直接应对光在组织中传播所面临的挑战。
新型传感器的技术原理
研究人员开发出一种具备偏振敏感性的可穿戴PPG传感器，该传感器利用光波的偏振特性，优先提取来自深层血管的信号，而非那些穿过富含黑色素的浅层组织的信号。该装置将光分为两个通道：一个通道接收与入射光偏振方向一致的光（同偏振光），另一通道则检测与入射光垂直偏振方向的光（交叉偏振光）。这一设计有助于抑制表层散射光的干扰，同时增强来自深层组织的信号强度。
在涵盖浅色、中等色及深色皮肤类型的受试者测试中，交叉偏振光在655 nm红色光和940 nm红外光波段均表现出更优的灌注指数（PI）——这一指标用于衡量信号强度。其中，对深色皮肤在红色波长下的改善效果尤为显著。
对PPG技术发展的潜在影响
尽管研究人员强调目前的发现仍处于初步阶段，并计划开展更大规模的验证实验，但该技术为减少PPG设备在不同肤色人群中的测量偏差提供了新思路，有望推动更公平、更精准的医疗与消费级可穿戴设备的发展。
“目前，PPG领域多数研究集中于数字信号处理算法的创新，”该研究的通讯作者Kimani C. Toussaint, Jr.表示，“而我们作为光学领域的研究者，则致力于从光的物理特性入手，探索更高质量PPG信号的获取方式。我们认为，这项研究揭示了一种全新的方向，而我们所揭示的仅是冰山一角。”
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
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