偏振光可提高可穿戴健康传感器对所有肤色的准确性

光电容积脉搏波描记法 (PPG) 是一种光学传感技术，用于测量血容量变化，是医院级脉搏血氧仪到可追踪心率、睡眠和氧合的消费级可穿戴设备等各种设备的基础。

尽管光电容积脉搏波描记法（PPG）应用广泛，但其测量精度在不同个体间差异显著，尤其受肤色影响较大。肤色较深的人黑色素含量更高，黑色素会吸收和散射光线，导致测量结果可靠性降低。这种差异与黑色素含量较高人群的血氧测量误差有关。

当前挑战和新研究

目前大多数提高光电容积脉搏波描记法（PPG）精度的措施都依赖于软件解决方案，例如高级滤波或机器学习，以消除由运动或传感器接触不良引起的噪声信号。然而，这些方法只能处理低质量数据，而无法解决根本原因：光与组织的相互作用。

在《生物光子学发现》杂志上发表的一项研究中，布朗大学的研究人员提出了一种新方法，直接解决光-组织相互作用层面的 PPG 信号质量问题。

新传感器的工作原理

该团队开发了一种可穿戴的偏振敏感光电容积脉搏波描记法（PPG）传感器，它利用光场的偏振方向，优先接收来自深层血管而非富含黑色素的表层组织的信号。该装置将光分成两个通道：一个通道检测同偏振光（平行于入射光束），另一个通道检测交叉偏振光（垂直于入射光束）。这种设计有助于滤除表层散射光，并捕获来自深层组织的更强信号。

在对代表浅色、中等色和棕色肤色的志愿者进行的测试中，交叉偏振条件在红色（655 nm）和红外（940 nm）波长下均持续产生更高的灌注指数（PI）值——一种信号强度指标。对于较深肤色，在红色波长下的改善最为显著。

对未来PPG技术的影响

虽然作者谨慎地指出，这些结果只是初步的，并且将会进行更大规模的研究，但这种方法可能会减少基于 PPG 的技术中的偏差，为更具包容性的医疗和消费可穿戴设备奠定基础。

“大多数 PPG 设备都专注于数字信号处理算法的创新，”资深作者 Kimani C. Toussaint, Jr. 说，“而作为光学研究人员，我们则专注于通过对光本身进行工程改造来实现什么；我们认为，我们正在探索一种新的、更精确的方法来获得更高质量的 PPG 信号，而我们目前的研究还只是冰山一角。”

更多信息： 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

由 SPIE提供 

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