偏振光提升不同肤色下可穿戴健康传感器的精度

知语 20251225

在可穿戴健康监测设备中，光电容积描记（PPG）技术被广泛用于测量血容量变化。该方法通过光学传感手段，支持从医院级别的脉搏血氧仪到消费级可穿戴设备，用于追踪心率、血氧水平和睡眠状态。

尽管PPG应用广泛，其测量准确性却因个体差异而有所不同，特别是肤色因素对读数影响显著。深色皮肤中黑色素含量较高，会吸收并散射光线，从而降低PPG信号的可靠性。这种光散射效应在血氧测量中尤为明显，可能影响医疗判断。

当前技术挑战与新的研究突破

目前，大多数改善PPG精度的方案依赖软件手段，如高级滤波技术或机器学习算法，以处理由于运动干扰或传感器贴合不紧导致的噪声。然而，这些方法往往以低质量的原始数据为基础，未能解决光在组织中传播的根本问题。

一项发表于《生物光子学发现》期刊的研究由布朗大学团队提出，研究者采用了一种全新的方法，从光与组织交互的物理层面入手，以提升PPG信号质量。

研究人员开发了一种具备偏振感应功能的可穿戴PPG传感器，该设备利用光的方向性来优先提取深层血管的信号，避开富含黑色素的表皮层的干扰。设备设计中引入了两个光学通道：一个用于接收与入射光方向一致的共偏振光，另一个用于检测方向垂直的交叉偏振光。这种结构有助于过滤表层散射光，从而增强来自深层组织的信号。

测试中，该设备在浅色、中色和深色皮肤志愿者中表现稳定。在红光（655纳米）和红外光（940纳米）波段下，交叉偏振光通道持续显示出更高的灌注指数（PI）值，尤其是在红光波段的深色皮肤样本中，信号强度的提升尤为显著。

虽然研究者指出当前数据仍处于初步验证阶段，并计划进一步扩大临床测试规模，但该技术有望显著减少PPG测量中的肤色相关偏差，推动更具包容性的医疗与消费级可穿戴设备的发展。

研究团队的资深成员Kimani C. Toussaint Jr.表示，大多数PPG设备的研发重点都放在数字信号处理算法的优化上，而他们的研究则聚焦于从光学工程角度提升光信号质量。他认为，这项工作可能代表了一种新趋势，即通过光本身的工程化处理，实现更高质量的PPG测量。

更多信息可参考：Rutendo Jakachira 等，《偏振感应双波长可穿戴光电容积描记传感器在多种肤色下的评估》，《生物光子学发现》（2025）。DOI：10.1117/1.bios.3.1.012509

资料来源：SPIE

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