偏振光技術(shù)助力提升可穿戴健康傳感器對(duì)不同膚色的測(cè)量精度

光電容積脈搏波描記法（PPG）是一種基于光學(xué)原理的傳感手段，廣泛應(yīng)用于從醫(yī)療級(jí)血氧監(jiān)測(cè)設(shè)備到消費(fèi)級(jí)可穿戴產(chǎn)品，如智能手表和健康追蹤設(shè)備，用于檢測(cè)心率、血氧飽和度及睡眠狀態(tài)等生理參數(shù)。

盡管PPG在各類健康監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中展現(xiàn)出廣泛應(yīng)用潛力，其測(cè)量精度卻在不同個(gè)體間存在顯著差異。這一問(wèn)題在深色皮膚人群中尤為明顯，因?yàn)楹谏睾枯^高可能吸收或散射入射光，從而干擾信號(hào)采集，影響數(shù)據(jù)的可靠性。這種情況與深膚色人群在血氧測(cè)量中出現(xiàn)誤差的現(xiàn)象密切相關(guān)。

現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸與新興研究方向

當(dāng)前，為了提升PPG傳感器的性能，多數(shù)方案集中于軟件層面的優(yōu)化，例如采用高級(jí)濾波算法或機(jī)器學(xué)習(xí)模型，以剔除由運(yùn)動(dòng)偽影或傳感器貼合不穩(wěn)定帶來(lái)的噪聲。然而，這類處理方式僅能改善信號(hào)質(zhì)量，未能從源頭上解決光與組織相互作用所引發(fā)的測(cè)量偏差。

一項(xiàng)近期發(fā)表于《生物光子學(xué)發(fā)現(xiàn)》（Biophotonics Discovery）期刊的研究中，布朗大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一項(xiàng)突破性的方法，直接針對(duì)PPG信號(hào)質(zhì)量的根本問(wèn)題——光在生物組織中的傳播特性。

新型偏振敏感PPG傳感器的原理與設(shè)計(jì)

研究人員開(kāi)發(fā)了一款可穿戴式偏振敏感型PPG傳感器，其創(chuàng)新在于利用了光的偏振方向差異，以優(yōu)先捕捉來(lái)自深層血管的信號(hào)，而非被黑色素吸收或散射的表層信號(hào)。該傳感器將入射光分為兩個(gè)通道：一個(gè)通道用于檢測(cè)與入射光偏振方向一致的光（同偏振光），另一個(gè)通道則負(fù)責(zé)檢測(cè)與入射光偏振方向垂直的光（交叉偏振光）。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于濾除淺層組織的散射信號(hào)，增強(qiáng)來(lái)自深層組織的信號(hào)強(qiáng)度。

在涉及淺色、中等色及深色皮膚志愿者的測(cè)試中，研究人員發(fā)現(xiàn)，采用交叉偏振模式在655 nm（紅色）與940 nm（紅外）波段下，均能獲得更高的灌注指數(shù)（PI）——這是衡量PPG信號(hào)強(qiáng)度的重要指標(biāo)。尤其是對(duì)于深色皮膚個(gè)體，在紅色波長(zhǎng)條件下，測(cè)量性能的提升尤為明顯。

該技術(shù)對(duì)PPG傳感器未來(lái)的潛在影響

盡管研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)這些結(jié)果尚處于初步階段，仍需更大規(guī)模的臨床驗(yàn)證，但這項(xiàng)技術(shù)具有減少PPG設(shè)備測(cè)量偏差的潛力，或?qū)⑼苿?dòng)更包容、更公平的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展，尤其是在醫(yī)療和消費(fèi)電子領(lǐng)域。

“目前大多數(shù)PPG設(shè)備的研發(fā)重心都集中在數(shù)字信號(hào)處理算法的創(chuàng)新上，”該研究的通訊作者Kimani C. Toussaint Jr. 表示，“而我們作為光學(xué)領(lǐng)域的研究人員，選擇從光本身出發(fā)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。我們認(rèn)為，這種對(duì)光的物理特性的深入調(diào)控，可能正在開(kāi)啟一條通向更高精度PPG信號(hào)獲取的新路徑?！?/p>

更多信息可參閱：Rutendo Jakachira 等人，“Assessment of a dual-wavelength wearable photoplethysmography sensor with polarization sensitivity for diverse skin tones”，《生物光子學(xué)發(fā)現(xiàn)》（2025），DOI：10.1117/1.bios.3.1.012509。

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