偏振光技术助力提升可穿戴健康传感器对不同肤色的测量精度
光电容积脉搏波描记法（PPG）是一种基于光学原理的传感手段，广泛应用于从医疗级血氧监测设备到消费级可穿戴产品，如智能手表和健康追踪设备，用于检测心率、血氧饱和度及睡眠状态等生理参数。
尽管PPG在各类健康监测场景中展现出广泛应用潜力，其测量精度却在不同个体间存在显著差异。这一问题在深色皮肤人群中尤为明显，因为黑色素含量较高可能吸收或散射入射光，从而干扰信号采集，影响数据的可靠性。这种情况与深肤色人群在血氧测量中出现误差的现象密切相关。
现有技术的瓶颈与新兴研究方向
当前，为了提升PPG传感器的性能，多数方案集中于软件层面的优化，例如采用高级滤波算法或机器学习模型，以剔除由运动伪影或传感器贴合不稳定带来的噪声。然而，这类处理方式仅能改善信号质量，未能从源头上解决光与组织相互作用所引发的测量偏差。
一项近期发表于《生物光子学发现》（Biophotonics Discovery）期刊的研究中，布朗大学团队提出了一项突破性的方法，直接针对PPG信号质量的根本问题——光在生物组织中的传播特性。
新型偏振敏感PPG传感器的原理与设计
研究人员开发了一款可穿戴式偏振敏感型PPG传感器，其创新在于利用了光的偏振方向差异，以优先捕捉来自深层血管的信号，而非被黑色素吸收或散射的表层信号。该传感器将入射光分为两个通道：一个通道用于检测与入射光偏振方向一致的光（同偏振光），另一个通道则负责检测与入射光偏振方向垂直的光（交叉偏振光）。这种结构设计有助于滤除浅层组织的散射信号，增强来自深层组织的信号强度。
在涉及浅色、中等色及深色皮肤志愿者的测试中，研究人员发现，采用交叉偏振模式在655 nm（红色）与940 nm（红外）波段下，均能获得更高的灌注指数（PI）——这是衡量PPG信号强度的重要指标。尤其是对于深色皮肤个体，在红色波长条件下，测量性能的提升尤为明显。
该技术对PPG传感器未来的潜在影响
尽管研究团队强调这些结果尚处于初步阶段，仍需更大规模的临床验证，但这项技术具有减少PPG设备测量偏差的潜力，或将推动更包容、更公平的健康监测技术发展，尤其是在医疗和消费电子领域。
“目前大多数PPG设备的研发重心都集中在数字信号处理算法的创新上，”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人员，选择从光本身出发进行工程设计。我们认为，这种对光的物理特性的深入调控，可能正在开启一条通向更高精度PPG信号获取的新路径。”
更多信息可参阅：Rutendo Jakachira 等人，“Assessment of a dual-wavelength wearable photoplethysmography sensor with polarization sensitivity for diverse skin tones”，《生物光子学发现》（2025），DOI：10.1117/1.bios.3.1.012509。
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