偏振光技术助力提升可穿戴健康传感器在多元肤色中的测量精度
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偏振光技术助力提升可穿戴健康传感器在多元肤色中的测量精度
光电容积脉搏波描记法（PPG）是一种广泛用于检测血液容积波动的光学传感方法，是医院级血氧监测设备以及消费电子中追踪心率、睡眠与血氧饱和度等功能的核心技术。
尽管PPG已广泛应用于各类设备，其测量准确性却在不同肤色人群中存在显著差异。这主要由于深色皮肤中较高的黑色素含量，而黑色素会吸收并散射入射光，从而干扰PPG信号的采集，造成血氧测量结果的偏差。
技术瓶颈与最新研究进展
目前，行业多采用软件手段提升PPG信号质量，如应用高级滤波算法或机器学习模型，以降低由运动伪影或传感器贴合不良导致的噪声。但这些方法难以从源头解决光与生物组织之间的复杂相互作用问题。
在《生物光子学发现》期刊发表的一项最新研究中，布朗大学团队提出了一种从光学层面优化PPG性能的新路径。该研究聚焦于光如何与皮肤和血管组织互动，以改善信号采集质量。
偏振敏感PPG传感器的设计原理
研究人员开发了一款可穿戴的偏振敏感PPG传感器，通过调控光的偏振方向，实现对深层血管信号的优先捕捉，从而减少来自表层黑色素组织的干扰。该传感器将光信号分为两个通道：一个通道接收与入射光偏振方向一致的同偏振光，另一个通道则捕捉垂直于入射方向的交叉偏振光。
在覆盖浅色、中等色和深色肤色的受试者测试中，交叉偏振通道在红色（655 nm）和红外（940 nm）波长下均显示出更高的灌注指数（PI），表明信号强度更佳。特别是在深色皮肤受试者中，红色波长下的性能提升尤为显著。
偏振技术对未来PPG应用的潜在影响
研究人员指出，目前的实验结果仍处于初步验证阶段，未来将在更大样本量中进一步验证这一方法的稳定性与可靠性。然而，该技术为开发更公平、更具包容性的健康可穿戴设备提供了新的可能性。
“传统PPG设备通常侧重于优化数字信号处理算法，”该研究通讯作者Kimani C. Toussaint, Jr. 表示，“而我们的研究从光学源头入手，探索如何通过优化光本身的性质来提升PPG信号质量。我们认为，这一方向仍有许多未开发的潜力。”
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
资料来源：SPIE
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