PPG連續(xù)生理指征感知與生物識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用白皮書

螞集ANTGROUP01.01.PPG信號(hào)是什么?02.PPG信號(hào)如何采集2.1PPG信號(hào)采集途徑3131311431313114448101115151616171718181919202021212323232424252526262627285.85.8設(shè)備硬件5.9外界干擾06.06.PPG(rPPG)信號(hào)在疾病32323232326.1社會(huì)價(jià)值6.2應(yīng)用進(jìn)展及實(shí)踐6.3挑戰(zhàn)及展望332.2PPG信號(hào)采集常用設(shè)備2.2.2攝像終端2.2.2攝像終端2.2.4頭戴式設(shè)備2.2.5其他類型設(shè)備識(shí)別場(chǎng)景的應(yīng)用及挑戰(zhàn)343436識(shí)別場(chǎng)景的應(yīng)用及挑戰(zhàn)343436373838394040417.2社會(huì)價(jià)值7.3應(yīng)用進(jìn)展及實(shí)踐03.rPPG技術(shù)03.rPPG技術(shù)7.4.17.4.1設(shè)備選型及測(cè)試數(shù)據(jù)3.1rPPG原理7.4.2測(cè)試流程和測(cè)項(xiàng)3.2rPPG技術(shù)路線08.08.PPG(rPPG)信號(hào)在疲勞3.2.2rPPG算法3.3rPPG領(lǐng)域進(jìn)展與展望3.3.2技術(shù)挑戰(zhàn)04.PPG信號(hào)的影響因素4.1.影響PPG信號(hào)的生理因素4.1.4腕部肌肉狀態(tài)4.1.5隨時(shí)間的自身變化4.2.影響PPG信號(hào)的外部因素4.2.2佩戴位置424242424242438.1檢測(cè)原理8.2社會(huì)價(jià)值8.3應(yīng)用進(jìn)展及實(shí)踐8.4挑戰(zhàn)及展望8.1檢測(cè)原理8.2社會(huì)價(jià)值8.3應(yīng)用進(jìn)展及實(shí)踐8.4挑戰(zhàn)及展望09.PPG(rPPG)信號(hào)在情緒44444444454545464646474747489.2社會(huì)價(jià)值9.2.1心理健康監(jiān)測(cè)與干預(yù)9.2.2人機(jī)交互的智能化提升9.1.3教育領(lǐng)域的個(gè)性化教學(xué)9.2社會(huì)價(jià)值9.2.1心理健康監(jiān)測(cè)與干預(yù)9.2.2人機(jī)交互的智能化提升9.1.3教育領(lǐng)域的個(gè)性化教學(xué)9.1.4市場(chǎng)營(yíng)銷與用戶研究我們保留對(duì)任何侵犯本白皮書版權(quán)行為采取法律措施的權(quán)利。特此聲明。4.2.3環(huán)境光照05.影響rPPG05.影響rPPG信號(hào)的因素5.1環(huán)境光照條件5.2皮膚特性5.3測(cè)量距離和角度5.4人體運(yùn)動(dòng)5.5生理因素5.6相機(jī)和傳感器特性299.3應(yīng)用進(jìn)展及實(shí)踐29293030302930303030聯(lián)合出品聯(lián)合出品10.PPG(rPPG)信號(hào)在健康數(shù)字科技螞蟻集ANTGROUP螞蟻集ANTGROUP螞蟻安全實(shí)驗(yàn)室數(shù)字科技螞蟻集ANTGROUP螞蟻集ANTGROUP螞蟻安全實(shí)驗(yàn)室49《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》PPG信號(hào)是什么?Photoplethysmographic(PPG),即光電容積脈搏波描記法,是一種以LED光源和探測(cè)器為基礎(chǔ),通過測(cè)量照射在人體皮膚表面被血管等組織反射回的光的衰減程度,進(jìn)而記錄血管的搏動(dòng)狀態(tài),同時(shí)測(cè)量脈搏波的一種測(cè)量人體生理數(shù)據(jù)的方法。PPG最早在20世紀(jì)30年代時(shí)出現(xiàn),具有簡(jiǎn)便、低成本、無創(chuàng)等特點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)最早被用于照射人體的手指和腳趾,sPDPDNPPGAmplitude(counts)0t1sP/2tsPtDNtDPt2sP/2tNEXTTROUGHAmplitude(v)(圖注:PPG信號(hào)波形圖)在每次脈沖中,PPG波形包括收縮峰(systolicpeak)、二尖波(dicroticnotch)和舒250200150100250200150100500-1000809010203040506008090NumberofsamplesRed:systolpeak.Green:Dicroticnotch.yellow:Diastolicpeak.(圖注:PPG信號(hào)波形圖)當(dāng)我們?nèi)サ结t(yī)院,通常都需要經(jīng)歷各類檢查,如體溫、心率、血壓、呼吸頻率、血氧飽和度等,這些反映人生命體征的指標(biāo)能幫助本人判斷當(dāng)前狀態(tài),有助于旁人判斷是否應(yīng)采取救助,便于就醫(yī)時(shí)醫(yī)護(hù)人員判斷病人是否危急。目前,各類生理學(xué)信號(hào)的測(cè)量方式應(yīng)用了流體力學(xué)、光學(xué)等多種理論的知識(shí),需要多種器械配合,如使用紅外測(cè)溫槍或水銀溫度計(jì)測(cè)量體溫,用水銀血壓計(jì)測(cè)量收縮壓及舒張壓,使用指壓法簡(jiǎn)單測(cè)算心率,用目測(cè)法估算呼吸頻術(shù)有所反映,可以利用PPG信號(hào)的周期計(jì)算心率,周期變化率測(cè)算心率變異性,通過不同波長(zhǎng)的光的吸收率之比測(cè)量氧合血紅蛋白及去氧血紅蛋白的比例從而得出血氧飽和度,進(jìn)—步可關(guān)聯(lián)PPG基線變化與血壓、呼吸頻率的關(guān)系,PPG信號(hào)的上下極差可用于判斷末梢血供情況。PPG信號(hào)以—種獨(dú)特的方式,用光電信號(hào)記錄人面部血管搏動(dòng)、血流速度、血液狀態(tài),將這些原本需要多個(gè)設(shè)備和—定醫(yī)學(xué)儲(chǔ)備來進(jìn)行測(cè)量的生理信號(hào),提供—站式測(cè)量方案,減少普通《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》以生命體征數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),研究者不斷探索PPG信號(hào)的效用,在疾病預(yù)測(cè)上取得了不菲的成果,如心血管疾病。心電圖(ECG)是診斷心臟疾病的重要方式,心電圖曲線可以提示如房顫、號(hào)可以發(fā)現(xiàn),PPG信號(hào)同樣可以反映心電特征,通過總結(jié)PPG信號(hào)的異常,可以提示人可能存在心臟疾病,從而做到對(duì)心臟疾病的早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療,減緩慢性疾病的病情發(fā)展,《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》PPG信號(hào)何采集PPG信號(hào),尤其是如何采集到高質(zhì)量的PPG信號(hào),是使用PPG信號(hào)進(jìn)行生理特征感知的重4《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》目前PPG信號(hào)采集使用的主流光源主要分為3種,—是紅光(600-700nm,常用660nm),這是由于紅光能夠穿透較深的皮膚和組織,適用于測(cè)量較深層的血流變化;二是紅外光(700-1000nm,常用940nm),和紅光類似,紅外光也具有良好的穿透能力,可以提供更高的信噪比,尤其是在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下;三是綠色光(500-600nm,常用530nm),和上述兩種光不同,綠采集過程中對(duì)光源的強(qiáng)度要求很高,其原因在于需要提高信號(hào)質(zhì)量與信噪比。高強(qiáng)度的光源可以確保足夠的光穿透組織深層,即使在血流微弱或者皮膚色素、血管深度不—的情況下,也能保證有足夠的信號(hào)被光電探測(cè)器接收。這樣不僅增強(qiáng)了信號(hào)的穩(wěn)定性,減少了外界干擾(如運(yùn)動(dòng)偽跡、環(huán)境光線變化)的影響,還提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性,確保了數(shù)據(jù)電傳感器的協(xié)同運(yùn)作,不穩(wěn)定的光源會(huì)給光電傳感器接收到的信號(hào)中引入噪聲,最壞的情況下,捕獲到的信號(hào)的周期都有可能受到影響,這將進(jìn)—步導(dǎo)致后續(xù)計(jì)算得到的心率等依賴于在可穿戴設(shè)備中,光源的功耗是—個(gè)重要考慮因素?？纱┐髟O(shè)備電池容量本身有限,光源功耗過高將導(dǎo)致設(shè)備續(xù)航能力下降,進(jìn)—步使得設(shè)備其他功能的部署受限,使用者體驗(yàn)不《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》光電傳感器是PPG(光體積描記法)信號(hào)采集中必不可少的采集工具,影響光電傳感器PPG信號(hào)采集質(zhì)量的因素很多,例如傳感器自身特性,如光波長(zhǎng)選擇、靈敏度、響應(yīng)速度能夠直接影響采集效果,次要因素也包括傳感器與皮膚接觸的緊密度、個(gè)體差異,如膚色深淺、血管分布、血液特性等;運(yùn)動(dòng)偽跡,身體移動(dòng)造成的信號(hào)干擾、環(huán)境光干擾等等都會(huì)影響PPG管、InGaAs光電二極管等,不同傳感器有其不同優(yōu)缺點(diǎn)?！禤PG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》400-1100nm(長(zhǎng)時(shí)間使用后性能變化小)400-1000nm(通過內(nèi)部增益機(jī)制實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大)InGaAs光800-1700nm400-1100nm暗電流低,背景噪聲小以上介紹的四種光電二極管各有優(yōu)劣,且均可用于PPG信號(hào)采集,具體應(yīng)用中選取哪—種光電二極管,需要考慮應(yīng)用場(chǎng)景與二極管的特性的契合度,最合適的就是最好的。光源應(yīng)盡可能貼近皮膚,以減少光在皮膚表面散射和反射帶來的影響,提升測(cè)量精確《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》LED的光強(qiáng)與電流成正比,為了確保光強(qiáng)穩(wěn)定,通常使用恒流源驅(qū)動(dòng)LED,避免光強(qiáng)在測(cè)量過光束集中指向目標(biāo)區(qū)域,以提高透射或反射光光束集中指向目標(biāo)區(qū)域,以提高透射或反射光LED的光束需要均勻,以避免由于光強(qiáng)不均勻比值)可以根據(jù)需要調(diào)整。通常保持較低的占光源以特定頻率(如數(shù)百赫茲到幾千赫茲)進(jìn)某些高級(jí)系統(tǒng)會(huì)包含溫度傳感器,并根據(jù)溫度變化動(dòng)態(tài)調(diào)整LED的驅(qū)動(dòng)電流,以保持穩(wěn)定的某些高級(jí)系統(tǒng)會(huì)包含溫度傳感器,并根據(jù)溫度變化動(dòng)態(tài)調(diào)整LED的驅(qū)動(dòng)電流,以保持穩(wěn)定的LED在工作過程中會(huì)產(chǎn)生熱量,溫度變化會(huì)影《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》PPG信號(hào)的采集方法主要分為兩種:透射法和反射法。LEDSourcePhoto(a)&LEDSource(b)(圖注:反射法與透射法示意圖)透射法主要利用光的吸收原理。當(dāng)光通過人體組織時(shí),不同波長(zhǎng)的光會(huì)被血液中的成分以不同的程度吸收。通過檢測(cè)透射光的強(qiáng)度變化,可以推算出血液中的生理信息。透射法光線的傳播主要分為三個(gè)階段。首先,光源發(fā)出光線后,光線穿過皮膚的表皮和真皮層,這些層中含有的色素(如黑色素)會(huì)吸收、散射部分光線。之后,光線繼續(xù)穿透到皮下的血管層,血液中的血紅蛋白(Hb)和氧合血紅蛋白(Hbo2)分別吸收大量紅光與近紅外光,同時(shí),由于心臟的泵血,血液量在血管中周期性變化,引起光強(qiáng)周期性變化。最終,光線穿出皮膚,高靈敏度:透射法對(duì)光強(qiáng)變化敏感,可以檢測(cè)到微小的血液體積變化。準(zhǔn)確性高:透射法通過測(cè)量光的吸收變化,能夠提供精確的生理參數(shù),如血氧飽和度?！禤PG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》受測(cè)量部位限制:透射法通常需要在光能夠穿透的部位(如手指、耳垂)進(jìn)行測(cè)量,不適用于身受環(huán)境光干擾:環(huán)境光可能會(huì)影響測(cè)量結(jié)果,因此需要采取措施(如使用濾光片或在暗室中測(cè)量)來減少干擾。依賴血液流動(dòng):透射法依賴于良好的血液循環(huán),因此在血液循環(huán)較差的情況下,測(cè)量結(jié)果可能射法類似,主要的不同在于反射法收集的是人體組織(主要為血管)的反射光,反射光強(qiáng)度會(huì)隨血管中血液量的變化而變化--當(dāng)心臟收縮時(shí),動(dòng)脈血流量增加,血液吸收的光增加,反射測(cè)量部位多樣:由于不依賴于光的穿透,反射法不受組織厚度限制,可以在多個(gè)部位進(jìn)行測(cè)量,便于集成:反射法傳感器可以集成到可穿戴設(shè)備中,如智能手表、手環(huán)等,方便日常使用。信號(hào)易受噪聲影響:由于反射光強(qiáng)較弱,信號(hào)容易受到環(huán)境光和運(yùn)動(dòng)偽影的干擾,需要有效的信號(hào)強(qiáng)度較低:反射信號(hào)的強(qiáng)度通常比透射信號(hào)弱,可能需要更高靈敏度的傳感器和更高的PPG信號(hào)的原始數(shù)據(jù)往往受到多種因素的影響,需要進(jìn)《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》使使用高增益運(yùn)算放大器(op-Amp)對(duì)原始PPG信號(hào)進(jìn)行放大,確保信號(hào)在后續(xù)處理自動(dòng)增益控制(AGC)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)AGC電路,動(dòng)態(tài)調(diào)整放大倍數(shù),根據(jù)輸入信號(hào)的originalDatawithBandsrepresentingupperandLowerlimits20originalDataMedianoriginalDataMedian+-Threshold020406080100(圖注:奇異點(diǎn)檢測(cè))光干擾)成分,只保留心率范圍內(nèi)的信號(hào)(0.5到4Hz)。采用LMS(LeastMeanSquares)自適應(yīng)濾波器,根據(jù)參考信號(hào)(如加速度計(jì)信號(hào))動(dòng)態(tài)去除運(yùn)動(dòng)偽影,調(diào)整濾波器參數(shù),使其能夠適應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。進(jìn)行小波變換,將信號(hào)分解到不同尺度上,對(duì)每個(gè)尺度上的信號(hào)進(jìn)行去噪處理,《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》應(yīng)用指數(shù)平滑方法,計(jì)算當(dāng)前樣本點(diǎn)和之前樣本點(diǎn)的加權(quán)平均,選擇適當(dāng)?shù)钠交瑓?shù),使得使用低通濾波器(如巴特沃斯濾波器)去除信號(hào)中的高頻噪聲,只保留低頻成分。設(shè)計(jì)采用高通濾波器去除低頻基線漂移,確保信號(hào)的基線穩(wěn)定。常用的高通濾波器類型包括對(duì)多個(gè)心跳周期的信號(hào)進(jìn)行平均,以減少隨機(jī)噪聲的影響,增強(qiáng)心跳特征。計(jì)算多個(gè)心跳周期的平均波形,提高信號(hào)的穩(wěn)定性。對(duì)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理,使其幅值在一定范圍內(nèi),有助于12120《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》通過檢測(cè)PPG信號(hào)中的峰值,計(jì)算心跳間隔(RR間期),從而計(jì)算出心率(bpm)。常0100200300400500600700800(圖注:峰值檢測(cè))NormalizedvalueNormalizedvalue0200400samples(圖注:滑動(dòng)窗口)計(jì)算心率的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)指標(biāo),評(píng)估心率的穩(wěn)定性和變異性。常用的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》2.2PPG信號(hào)采集常用設(shè)備PPG(光電容積脈搏波)信號(hào)采集設(shè)備廣泛應(yīng)用于各種類型的設(shè)備,包括可穿戴設(shè)備、攝以下是常見的PPG信號(hào)采集設(shè)備:Applewatch:配備了PPG傳感器和ECG傳感器,用于心率監(jiān)測(cè)、血氧水平測(cè)量和心臟疾病風(fēng)《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》Fitbit:多款Fitbit手表(如charge系列、versa系列)內(nèi)置PPG傳感器,提供心率監(jiān)測(cè)和睡眠分析功能。華為:華為智能手表(如GT系列、FIT系列)采用PPG傳感器來(圖注:智能手表)小米手環(huán):內(nèi)置PPG傳感器,用于心率監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)記錄。三星Galaxy系列部分Galaxy手機(jī)背面配備PPG傳感器,用戶可以通過手機(jī)應(yīng)用進(jìn)行心率和血氧水平測(cè)量。一些華為手機(jī)(如Mate系列)也內(nèi)置PPG傳感器,用于健康監(jiān)測(cè)。此外,其他帶有攝像功能的手機(jī)、平板、電腦,均可借助內(nèi)置rPPG信號(hào)提取算法的第三方軟件實(shí)現(xiàn)PPG的測(cè)量。Nonin:生產(chǎn)各種醫(yī)療級(jí)PPG設(shè)備,廣泛應(yīng)用于醫(yī)院和臨床環(huán)境,用于血氧飽和度(spo2)《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》GEHealthcare:其生產(chǎn)的監(jiān)護(hù)設(shè)備也包括PPG功能,用于全面的患者生命體征監(jiān)測(cè)。JabraElitesport:配備PPG傳感器,可以監(jiān)測(cè)心率和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。Bosesoundsportpulse:內(nèi)置PPG傳感器,提供心率監(jiān)測(cè)功能。虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)頭顯oculusQuest:盡管目前并沒有配備PPG傳感器的VR設(shè)備,但不少商業(yè)巨頭如蘋果、微軟,都對(duì)此有所計(jì)劃,預(yù)計(jì)不遠(yuǎn)的未來(圖注:虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)頭顯)WWWWWWA《ppG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》rppGRemotephotoplethysmographic(rppG),即遠(yuǎn)程光電容積描記技術(shù),是當(dāng)前國(guó)際上前人體每次心跳引起的血液流動(dòng)會(huì)造成皮膚組織的微血管中血量的周期性變化,進(jìn)而導(dǎo)致辨這一微小變化,但是通過攝像機(jī)可以檢測(cè)到--得益于現(xiàn)代攝像機(jī)內(nèi)置的高靈敏度傳感器,AAAAAA(圖注:基于攝像頭的遠(yuǎn)程生理感知原理)《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》3.2rppG技術(shù)路線(圖注:數(shù)據(jù)處理流程圖)通過攝像頭獲取到的視頻含有大量冗余數(shù)據(jù),且可能存在質(zhì)量過低的數(shù)據(jù),無法直接用于模型訓(xùn)練,故需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。一般而言,數(shù)據(jù)預(yù)處理包含(按先后順序)選取感興趣部位(ROI區(qū)域)、標(biāo)準(zhǔn)化、差分歸一化。通過面部識(shí)別算法,我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人臉的精準(zhǔn)捕獲(ROI區(qū)域),舍棄人臉周圍的環(huán)境圖像數(shù)據(jù),提升訓(xùn)練數(shù)據(jù)質(zhì)量。攝像頭設(shè)置差異等外部因素引起的偏差,從而突出皮膚顏色的細(xì)微變化。通常,這一步會(huì)涉及將圖像中的像素值減去它們的均值,然后除以標(biāo)準(zhǔn)差。這樣處理后的圖像會(huì)有一個(gè)零均值和單位方差,從而消除整體亮度或顏色的變化,使得后續(xù)的分析更加可靠。《ppG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》處理,提取圖像幀之間的細(xì)微變化。這一過程通常包括對(duì)連續(xù)圖像幀進(jìn)行像素差異計(jì)算,重點(diǎn)分析這些變化。隨后,這些差異會(huì)經(jīng)過歸一化處理,使得結(jié)果更加穩(wěn)定并易于進(jìn)一步的信號(hào)提取。差分歸一化后的圖像會(huì)顯示出比原始圖像更加明顯的顏色變化區(qū)域,特別是與生理用于預(yù)測(cè)rppG信號(hào)的算法主要分為兩大類:非非監(jiān)督算法本質(zhì)上是使用統(tǒng)計(jì)學(xué)手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的方法。對(duì)預(yù)測(cè)rppG信號(hào)而言,非監(jiān)督算法包括Green、ICA、CHROM、pOS、pBV。監(jiān)督算法使用帶標(biāo)簽的數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練算法,以預(yù)測(cè)結(jié)果和識(shí)別模式。具體而言,監(jiān)督算法通過學(xué)習(xí)視頻數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)ppG信號(hào)之間的關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)通過視頻預(yù)測(cè)rppG信號(hào)這一功能。常見的用于rppG信號(hào)預(yù)測(cè)的監(jiān)督算法包括Deepphys、physNet、physFormer、Efcient-phys-C。的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)視頻,這對(duì)rppG算法的魯棒性提出了更高要求。在這種噪聲r(shí)ppG領(lǐng)域的關(guān)注度近年來還在持續(xù)上升,目前該領(lǐng)域的算法在一些實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)集如pURE和UBFC已經(jīng)取得不錯(cuò)的效果。在室內(nèi)靜止?fàn)顟B(tài)下,該技術(shù)遠(yuǎn)程估計(jì)心率的誤差可以低于3次/20《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》及性和可用性為這項(xiàng)技術(shù)的廣泛部署提供了基礎(chǔ)條件,尤其在車載和居家等特殊環(huán)境中,rPPG技術(shù)能夠提供感便捷的生理指征數(shù)據(jù),而不會(huì)對(duì)用戶的工作造成干擾。具體來說:普適性:全球攝像頭出貨量已達(dá)7.2億臺(tái),具備了極大的規(guī)模,顯示出巨大的應(yīng)用潛力。多種生理指標(biāo)的測(cè)量:相比依賴于穿戴設(shè)備的特定傳感器,rppG技術(shù)通過軟件創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)特定場(chǎng)景中的應(yīng)用潛力:在車載、居家等環(huán)境中,rppG技術(shù)能夠提供無感、非接觸的生理數(shù)據(jù),便于進(jìn)行日常健康監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程生理感知技術(shù)在監(jiān)測(cè)心率變異性(HRV)、血壓、和血氧飽和度(spo2)等關(guān)鍵生記圖(rppG)信號(hào)已被研究用于無創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè),為高血壓患者提供了—種連續(xù)監(jiān)測(cè)的新途徑。對(duì)于血氧飽和度,遠(yuǎn)程生理感知技術(shù)同樣表現(xiàn)出前景。通過分析皮膚反射的光的變化來推測(cè)血紅蛋白的分量,可以無創(chuàng)地監(jiān)測(cè)個(gè)體的spo2。總體來說,這些技術(shù)的發(fā)展提高了醫(yī)療監(jiān)測(cè)的便捷性和實(shí)時(shí)性,展示了其在未來關(guān)鍵領(lǐng)rppG技術(shù)隨著網(wǎng)絡(luò)、芯片、圖像技術(shù)等的發(fā)展相較過去已有長(zhǎng)足的進(jìn)步,但仍然有不少技術(shù)挑戰(zhàn)需要解決。如圖十三所示,rppG技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn),主要體現(xiàn)在:21《ppG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》變化,這些變化會(huì)對(duì)rppG技術(shù)的信號(hào)提取造成干擾,影響生理參數(shù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。因此,效的數(shù)據(jù)處理流程,同時(shí)確保隱私保護(hù),是提升rppG技術(shù)效能的重要方向。確保在關(guān)鍵時(shí)刻能夠獨(dú)立運(yùn)行,并保證數(shù)據(jù)安全和服務(wù)可靠。研制基于國(guó)產(chǎn)化器件的rppG感TypeIVTypeVTypeVIULTRAULTRAWARMWHITE2,000K-2,500KNATURALNATURALWHITE3,600K-5,000KWARMWARMWHITE2,500K-3,500KCOOLCOOLWHITE5,100K-20,000K22《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》PPG信號(hào)然而,這些交流信號(hào)通常僅僅為非脈搏的直流信號(hào)的1%~3%。因此,PPG信號(hào)容易受到各種運(yùn)動(dòng)偽影是指在進(jìn)行醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)時(shí),由于患者身體內(nèi)部或者整體自主運(yùn)動(dòng)(如行走、身體晃動(dòng)等)、不自主運(yùn)動(dòng)(如腸胃蠕動(dòng)、吞咽、肌肉顫動(dòng)等)或掃描設(shè)備與患者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(如運(yùn)動(dòng)時(shí)手環(huán)與手腕的間隙變化等)造成的信號(hào)失真現(xiàn)象。運(yùn)動(dòng)偽影對(duì)脈搏血氧儀的影響可能是顯著的。在血氧檢測(cè)方面,Petterson等人于2007年信號(hào)之間路徑長(zhǎng)度變化所產(chǎn)生的噪聲,會(huì)同等地疊加在紅光和紅外信號(hào)上。因此,隨著噪聲的增加,R比值(血氧指標(biāo),為紅光交流直流比與紅外光交流直流比的比值)接近1,對(duì)應(yīng)于恒定的spo2讀數(shù),通常約為85%。進(jìn)而血氧儀輸出恒定血氧值,有較大檢測(cè)誤差。第二種模型假設(shè)低氧血液在靜脈中晃動(dòng),導(dǎo)致靜脈血局部擾動(dòng),增加了PPG信號(hào)的交流分量,使設(shè)備無法區(qū)分動(dòng)脈和靜脈脈動(dòng),從而影響了R比值的計(jì)算。23《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》上述的路徑長(zhǎng)度變化模型,可以用傳感器相對(duì)皮膚的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和接觸力,以及傳感器的重量來解釋。同時(shí),由于傳感器會(huì)受到靜脈脈搏研究表明,心理壓力會(huì)增加PPG信號(hào)的脈搏變異性。一般來說,心理壓力的特征可大致分估,如DASS、壓力指數(shù)等。而特質(zhì)特征則表現(xiàn)在各種生理信號(hào)中,例如腦電圖、呼吸、心電圖、皮膚電活動(dòng)、血壓、肌電圖和光電容積自動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)一步分為兩個(gè)分支,即交感神經(jīng)系統(tǒng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)。交感神經(jīng)系統(tǒng)分支之間的變化可通過心率變異性(HRV)進(jìn)行評(píng)估。因此,由于PPG信號(hào)的脈搏率變異性(PRV)與HRV高度相關(guān),心理壓力會(huì)對(duì)PPG信號(hào)產(chǎn)生影響。由于心理壓力和PPG的脈搏變異性有直接關(guān)聯(lián),目前有許多研究已經(jīng)嘗試使用PPG信號(hào)進(jìn)行心理壓力檢測(cè)和分類。傳統(tǒng)的心理壓力檢測(cè)通常使用由ECG導(dǎo)出的心率變異性(HRV)。然而,為了追求普適性、實(shí)時(shí)性和非侵入性,從而使被測(cè)者能夠不受任何不便地進(jìn)行檢測(cè),基于PPG測(cè)量精度的重要的限制因素是溫度,這一點(diǎn)經(jīng)常被忽視。過往研究認(rèn)為,局部皮膚和在進(jìn)行Spo2測(cè)定時(shí),低溫條件顯著降低PPG信號(hào)質(zhì)量和所測(cè)得的Spo2估計(jì)值的準(zhǔn)確性。溫24《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》暖的溫度條件顯著提高了PPG信號(hào)的質(zhì)量。提高幅度高達(dá)4倍,并提高了spo2的估計(jì)精度。因而,需要保持溫暖的溫度條件才能進(jìn)行可靠的PPG采樣。此外,皮膚表面溫度變化對(duì)血壓、心率、心搏出量和總外周影響。因此,必然會(huì)影響到同樣反應(yīng)心血管和脈搏特征的PPG信號(hào)。改變了PPG傳感器與皮膚組織之間的接觸力和耦合,進(jìn)而改變了反射光的光路,從而掩蓋了真因此,在開發(fā)和使用手腕PPG設(shè)備時(shí),需要認(rèn)真考慮肌肉狀態(tài)對(duì)信號(hào)的潛在影響。未來的25《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》擾等因素的影響,從而導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量的不穩(wěn)定。因此,理解和分析PPG信號(hào)的時(shí)間變化規(guī)律,膚色對(duì)PPG信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一定影響,主要體現(xiàn)在光的吸收和散射特性上。不同膚色的個(gè)體對(duì)特定波長(zhǎng)的光的吸收能力不同,較深的皮膚吸收綠光和紅光更多,而較淺的皮膚則吸收較少,直接影響了PPG信號(hào)的強(qiáng)度和清晰度。此外,皮膚色澤不同還會(huì)導(dǎo)致光在皮膚組織中的散射路徑差異,使得從血管反射回來的光信號(hào)更加復(fù)雜和多樣化。深色皮膚通常會(huì)引入更多的環(huán)境光干擾或背景噪音,增加了信號(hào)的噪音水平,從而使得PPG信號(hào)的分析和解讀更加復(fù)雜和因此,當(dāng)使用PPG技術(shù)進(jìn)行生理監(jiān)測(cè)或醫(yī)療診斷時(shí),需要充分考慮和校正不同膚色對(duì)信號(hào)的影響,以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。研究表明,特別是在體育活動(dòng)中,皮膚黑色素較吸收較多。同時(shí),肥胖體質(zhì)可能對(duì)信號(hào)也有影響,皮膚較厚可能導(dǎo)致PPG傳感器發(fā)射的光線難為了優(yōu)化PPG技術(shù)在不同人群中的應(yīng)用,未來的研究可能需要進(jìn)一步考慮膚色和其他個(gè)4.2影響PPG信號(hào)的外部因素PPG信號(hào)的質(zhì)量在很大程度上受傳感器與皮膚之間接觸壓力的影響,這在身體活動(dòng)和自由26《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》接觸壓力不僅影響傳感器與測(cè)量部位之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),特別是在身體活動(dòng)期間,還會(huì)改變動(dòng)脈的幾何形狀,導(dǎo)致壓縮變形。此外,傳感器與皮膚之間的接觸壓力會(huì)改變皮下灌注,會(huì)導(dǎo)致信號(hào)振幅低、信噪比差以及波形失真。過往研究還表明,接觸壓力對(duì)spo2也有影響,隨著接觸壓力的增加,spo2會(huì)降低。然而,由于受試者在年齡、性別和動(dòng)脈硬度等方面存在廣泛變異性,評(píng)估合適的接觸力范圍仍然具有挑戰(zhàn)性。因此,為了確保PPG傳感器在各種條件織較厚,血流量相對(duì)較少,可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)較弱,噪音較大。此外,佩戴位置的穩(wěn)定性也至關(guān)重要,手指和耳垂相對(duì)較少受到運(yùn)動(dòng)偽影的影響,而手腕在活動(dòng)中易產(chǎn)生移動(dòng),導(dǎo)致信號(hào)失深呼吸條件下,除前額外,所有測(cè)量部位的呼吸頻率偏差均不顯著,手指位置的呼吸頻率偏差最小且—致性最好。因此,對(duì)于正常呼吸模式,前額是最佳測(cè)量部位,而在深呼吸模式下,手27《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》28《ppG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》影響rppG遠(yuǎn)程光電容積描記術(shù)(rppG)在實(shí)際應(yīng)用中面臨著—些挑戰(zhàn),較為突出的是如何從復(fù)雜的過強(qiáng)或過弱的環(huán)境光照都可能影響rppG信號(hào)的質(zhì)量。強(qiáng)光可能導(dǎo)致傳感器飽和,弱光則可能不同類型的光源(自然光、白熾燈、熒光燈等)具有不同的光譜分布,可能影響rppG信號(hào)的不同膚色對(duì)光的吸收和反射特性不同,可能影響rppG信號(hào)的強(qiáng)度和質(zhì)量。較深的膚色通常吸29《ppG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》《ppG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》相機(jī)的分辨率和幀率直接影響rppG信號(hào)的采集質(zhì)量。較高相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍越大,越能有效捕捉不同光照不同的信號(hào)提取和處理算法對(duì)rppG信號(hào)的敏感度《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》PPG(rPPG)信號(hào)在疾病目前,我國(guó)心血管疾病患者已突破3.3億,每年因心血管疾病死亡的人數(shù)在總死亡人數(shù)的比例超過40%,在各類疾病的患者死亡人數(shù)中排第—位。心血管疾病對(duì)國(guó)民生命健康造成了極大的影響,因此,為了降低心血管疾病對(duì)人民的生命健康的威脅,加強(qiáng)對(duì)心血管疾病的預(yù)防,爭(zhēng)取對(duì)心血管疾病早診斷、早治療,是我國(guó)公共衛(wèi)生政策的—項(xiàng)對(duì)心血管疾病的診斷主要依靠監(jiān)測(cè)血流動(dòng)力學(xué)的各類指標(biāo),臨床上常見的檢測(cè)方式分為直接、干擾小的優(yōu)點(diǎn),更適合于嚴(yán)重冠脈狹窄、心肌梗死、心力衰竭、休克等危重患者,對(duì)生物電阻抗血流動(dòng)力測(cè)定等,這類檢測(cè)方法無創(chuàng)、簡(jiǎn)單、成本較低,臨床工作中十分常見,但準(zhǔn)確性較低,容易被其他疾病影響檢測(cè)結(jié)果,其結(jié)果的判定也需要相對(duì)專業(yè)的知識(shí)。兩類檢測(cè)方法各有利弊,它們的弊端又各自限制了它們走進(jìn)尋常百姓家的路途,因此—種能結(jié)合近二十年來,有關(guān)PPG信號(hào)的研究越發(fā)深入,有關(guān)PPG信號(hào)與生理信號(hào)的關(guān)聯(lián)也經(jīng)過了相當(dāng)嚴(yán)密的驗(yàn)證,PPG信號(hào)與心率、心律、血壓、血容量的關(guān)聯(lián)已經(jīng)得到了證實(shí),輔助心血管系《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》均誤差僅有2.4次/分鐘。同時(shí),—些臨床試驗(yàn)已經(jīng)證明了PPG和心電圖(ECG)的測(cè)量值在低頻情況下相差較小,高頻情況下差距相對(duì)較大,但總體存在較強(qiáng)正相關(guān)性?！?xiàng)基于PPG檢測(cè)心律失常的模型發(fā)現(xiàn),PPG信號(hào)脈沖峰值間隔以及血氧飽和度信號(hào)特征可以用于獲取脈搏變異性,進(jìn)—步獲取心律的變化,用于判斷患者是否需要住院治療。另外—些研究顯示,基于PPG信號(hào)的算法對(duì)房顫診斷準(zhǔn)確率超過90%,與ECG同時(shí)進(jìn)行時(shí),對(duì)房顫的診斷準(zhǔn)確率更高。PPG的應(yīng)用可以與24hECG等互補(bǔ),降低房顫等心律異?；颊叩穆┰\、誤在—些研究中,研究者針對(duì)低血壓、缺血性卒中、急性心肌梗死、睡眠呼吸暫停綜合征等疾病的患者采集PPG信號(hào),并與ECG信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)PPG信號(hào)在心跳、呼吸異常的時(shí)間點(diǎn)由于操作水平、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、采集部位等對(duì)PPG信號(hào)的質(zhì)量影響較大,PPG想廣泛應(yīng)用于日常生活還要走很長(zhǎng)—段路。此外,PPG信號(hào)與ECG信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)還需要更科學(xué)的解釋,也需PPG信號(hào)僅需移動(dòng)設(shè)備就可以獲取,檢測(cè)簡(jiǎn)單獲取容易,是—種更貼近日常生活的監(jiān)測(cè)方式,PPG應(yīng)用于心血管疾病的監(jiān)測(cè),將縮短普通人識(shí)別急性心臟疾病的時(shí)間,為急性發(fā)作患者爭(zhēng)取寶貴的治療時(shí)間,也可以更早分辨出潛在的心血管疾病患者,減少此類疾病對(duì)我們健康《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》PPG(rPPG)信號(hào)在生物近年來,隨著人工智能技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步,各個(gè)領(lǐng)域?qū)ζ鋬?yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)的關(guān)注日益增加。身份認(rèn)證是—個(gè)特別關(guān)鍵的領(lǐng)域。身份認(rèn)證的目的是通過私人信息驗(yàn)證用戶身份,授予對(duì)系統(tǒng)的訪問權(quán)限,并確保用戶信息的保護(hù)。傳統(tǒng)的身份識(shí)別方法主要依賴密碼。然而,隨著技術(shù)的發(fā)展,生物識(shí)別技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)密碼,成為當(dāng)代身份識(shí)別中的主要方法之—。目前,指紋識(shí)別和面部識(shí)別是最廣泛采用的生物識(shí)別方式,它們之所以廣受歡迎,是因?yàn)榫哂袠O高的識(shí)別準(zhǔn)確度和無需記憶的便捷性。然而,隨著技術(shù)的進(jìn)步,傳統(tǒng)的面部識(shí)別和指紋識(shí)別變得容易受到未經(jīng)授權(quán)的使用。因此,探索可用于身份驗(yàn)證的其他生理信號(hào)變得至光電容積脈搏波信號(hào)(PPG)是—種簡(jiǎn)單且易于獲取的生理信號(hào),在醫(yī)學(xué)中廣泛用于測(cè)量心率和血氧飽和度。它通?；谡彰?通過測(cè)量人心率和血氧飽和度。它通?；谡彰?通過測(cè)量人體組織對(duì)光的反射和吸收來獲取各種生理異,因此具有身份驗(yàn)證的潛力?！禤PG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》表1心電信號(hào)(Electrocardiograph,ECG)和光學(xué)體積描記術(shù)(Photoplethysmograph,PPG)ECGPPG(表注:PPG生物識(shí)別與其他類型生物識(shí)別的對(duì)比)先前的研究已經(jīng)證明了PPG信號(hào)在認(rèn)證任務(wù)中的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):容易獲取--PPG信號(hào)可以通過攝像頭或傳感器從人體的各個(gè)部位非侵入式地收集,常見的采集位置包括耳垂、面部、指尖和手腕。此外,PPG傳感器廣泛集成到各種可穿戴設(shè)備中,使PPG信號(hào)高度可獲取。難以偽造--與面部識(shí)別和指紋技術(shù)相比,PPG信號(hào)不太直觀。潛在的冒名頂替者可以容易地獲得面部特征和指紋,而PPG信號(hào)微弱且不易察覺,因此更能抵抗偽造?！禤PG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》生命體征--由于PPG信號(hào)基于心跳的周期性,只有活體個(gè)體才能產(chǎn)生PPG信號(hào),從而增加如今,人們身邊的可穿戴設(shè)備愈加多樣。智能手機(jī)、手環(huán)、手表、耳機(jī)、指環(huán)等相繼出得可行且有價(jià)值。同時(shí),多設(shè)備的使用,也提高了用戶對(duì)信息安全和私人化的要求,增加了對(duì)光電容積描記法(PPG)信號(hào)在身份識(shí)別上的社會(huì)價(jià)值巨大。在當(dāng)今信息高度發(fā)達(dá)的社會(huì)中,身份認(rèn)證變得越來越重要,尤其是在物聯(lián)網(wǎng)(IOT)和智能家居時(shí)代,身份識(shí)別的安全性首先,PPG信號(hào)難以被盜取或復(fù)制,這為防止身份冒充和信息泄露提供了天然的保障。由于每個(gè)人的血液動(dòng)力學(xué)和心血管系統(tǒng)具有獨(dú)特性,PPG信號(hào)能夠準(zhǔn)確地反映個(gè)人的生理特征,從而實(shí)現(xiàn)高精度的身份識(shí)別。其次,PPG具備內(nèi)在的防偽和活體檢測(cè)功能,能夠有效防止偽造此外,PPG信號(hào)采集僅需簡(jiǎn)單的LED和光電二極管設(shè)備,成本低廉,操作簡(jiǎn)便,適用于各設(shè)備解鎖等,提升家庭安全性和用戶體驗(yàn)。在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中,PPG信號(hào)可以用于設(shè)備間的身份驗(yàn)證,確保設(shè)備之間的通信安全。物識(shí)別手段如EEG、ECG等依賴,提升了醫(yī)療服務(wù)的效率和患者體驗(yàn)。例如,在醫(yī)院中,PPG《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》信號(hào)可以用于患者身份確認(rèn),確保醫(yī)療記錄的準(zhǔn)確性和隱私性。同時(shí),PPG信號(hào)還可以用于遠(yuǎn)程醫(yī)療,通過便攜設(shè)備采集患者的生理數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和監(jiān)測(cè),降低醫(yī)療成本,提升醫(yī)PPG信號(hào)在身份識(shí)別上的應(yīng)用不僅提升了安全性和可靠性,還具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社和應(yīng)用的拓展,PPG信號(hào)在身份識(shí)別領(lǐng)域的價(jià)值將進(jìn)一步得到體現(xiàn),為社會(huì)的安全和發(fā)展做出等分類方法,顯著提高了準(zhǔn)確性。此外,研究人員還利用手工設(shè)計(jì)的特征進(jìn)行預(yù)測(cè)學(xué)習(xí),提取了多達(dá)40個(gè)特征,并與k最近鄰(k-NN)分類器結(jié)合使用,取得了良好的效果。聚類,然后應(yīng)用受限玻爾茲曼機(jī)和深度置信網(wǎng)絡(luò),研究人員分析了在流動(dòng)環(huán)境中使用綠光從手腕獲得的PPG信號(hào),顯示出未來無需特征提取、完全依賴神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行識(shí)別的潛力。此外,研究人員還通過提取PPG信號(hào)的固有屬性,如峰值數(shù)量、峰值間隔及上升和下降斜率等,提高隨著深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域的發(fā)展,進(jìn)一步結(jié)合深度學(xué)習(xí)模型如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)進(jìn)行特征提取和識(shí)別的方法,為解決PPG信號(hào)在有運(yùn)動(dòng)偽影環(huán)境下的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性提供了新的解決方案。在最近的文獻(xiàn)中,越來越多的研究重點(diǎn)放在深度學(xué)習(xí)模型中提取特征的研究,使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以端到端的方式直接從原始信號(hào)中提取特征信息。這《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》目前市面上大部分的智能手表或手環(huán)都具備PPG傳感器及imu傳感器,能實(shí)時(shí)捕捉到佩戴者的ppg信號(hào)以及imu數(shù)據(jù)。選用其中一款智能手表作為本方案的應(yīng)用案例,驗(yàn)證PPG信號(hào)在我們選用智能手表或手環(huán)中常見的100hz采樣頻率的ppg信號(hào),光源采用紅光、紅外(IR)及綠光三種不同感應(yīng)光,并同步獲取imu運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)作為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的輔助檢測(cè)手段。在30個(gè)受試者上采集真實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù),采集模式如下:表朝上(<45度)6min至少30人(表注:(表注:上述真實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)來自的受試者是訓(xùn)練數(shù)據(jù)中沒有包含的人員自由(建議行走玩手機(jī))5min至少30人《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》采集PPG信號(hào)PPG質(zhì)量檢測(cè)PPG信號(hào)比對(duì)FRRFRRIMU+HR 檢查PPG信號(hào)質(zhì)量是否符合要求檢查PPG信號(hào)質(zhì)量是否符合要求其他因子:可信設(shè)備的可信鏈接其他因子:可信設(shè)備的可信鏈接FRR 更新比對(duì)閾值更新比對(duì)閾值采集上述30人的數(shù)據(jù),分別標(biāo)記為A~Z,AA~AZ每個(gè)人的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)PPG及IMU數(shù)據(jù)總計(jì)11min,約660秒,每15秒切為一個(gè)slice,送入心跳識(shí)別,比如A的數(shù)據(jù)后會(huì)被切為A1~A44,每段15秒。《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》我們?cè)谶@樣的openset測(cè)試集通過以下幾個(gè)緯度來測(cè)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)FARFalseAcceptRateA的錯(cuò)誤接受率=預(yù)測(cè)為A數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)/非A的所有數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)(B~ZZ)1-FAR=TNRtruenegativerateFRRFalseRejectRateA的錯(cuò)誤拒絕率=預(yù)測(cè)為非A數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)/A的所有數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)(A1~A44)FRR=平均值(A的錯(cuò)誤拒絕率、B的錯(cuò)誤拒絕率、c的錯(cuò)誤拒絕率)1-FRR=TPR(truepositiverate)Imu運(yùn)動(dòng)檢測(cè)30人99.47%0.83%ppg質(zhì)量檢測(cè)30人89.80%1.78%Imu運(yùn)動(dòng)檢測(cè)FARFRR0.233%7.053%(表注:目前far達(dá)到0.24%以內(nèi)的時(shí)候,frr約7%)在真實(shí)受試者上利用已有的傳感器及配置來實(shí)現(xiàn)方案原型,并達(dá)到了FAR-0.3%以下,FRR-7%,可以看出ppg信號(hào)除了做健康監(jiān)測(cè)外,還可以完成更多比如智能核身這樣的識(shí)別任40《PPG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》個(gè)技術(shù)難題是消除PPG信號(hào)中運(yùn)動(dòng)偽影和PPG時(shí)變特性帶來的影基于PPG的生物識(shí)別技術(shù)的過往研究所使用的數(shù)據(jù),大多為醫(yī)療中心提供的醫(yī)療數(shù)據(jù),屬于靜態(tài)環(huán)境中的臨床信息。由于在數(shù)據(jù)采集時(shí),病人無法正常運(yùn)動(dòng),因此這些醫(yī)療數(shù)據(jù)中采集的PPG信號(hào)信噪比高,運(yùn)動(dòng)偽影不明顯。但在日常生活中,特別是部署在可穿戴設(shè)備上的身前,雖然已經(jīng)有研究開始使用運(yùn)動(dòng)過程中采集的PPG信號(hào)進(jìn)行研究,但方法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性尚難以保證,并且這些數(shù)據(jù)也受制于實(shí)驗(yàn)室的采集環(huán)境,與實(shí)際使用有一定差距。定的不穩(wěn)定性。由于被采集者每時(shí)每刻的身體狀況不同,運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同,同一被測(cè)者的PPG信針對(duì)這一問題,研究者提出了許多解決方案,但目前還有沒有很好的解決。型如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)的不斷發(fā)展,PPG信號(hào)的特征提取和識(shí)別將變得更加高效和準(zhǔn)確。這些先進(jìn)的算法能夠在更復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的環(huán)境中運(yùn)行,有效減少全驗(yàn)證功能。這不僅提升了用戶體驗(yàn),還為移動(dòng)支付、醫(yī)療健康監(jiān)控等領(lǐng)域提供了新的安全41《ppG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》PPG(rPPG)信號(hào)在疲勞在疲勞檢測(cè)場(chǎng)景中,rppG(無接觸光學(xué)心率測(cè)量)信號(hào)被用來反映人體的疲勞程度,其原理主要基于以下幾點(diǎn):疲勞狀態(tài)會(huì)顯著影響心率的穩(wěn)定性和頻率,具體而言,疲勞時(shí),心率通常會(huì)表現(xiàn)出不規(guī)律性化模式,可以推斷出駕駛員或操作員的疲勞程疲勞狀態(tài)會(huì)顯著影響心率的穩(wěn)定性和頻率,具體而言,疲勞時(shí),心率通常會(huì)表現(xiàn)出不規(guī)律性化模式,可以推斷出駕駛員或操作員的疲勞程rppG信號(hào)不僅反映心率變化,還間接反映出其他生理響應(yīng),如血流量的變化和心率的變異性(HRV)。這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估疲勞狀態(tài)具有重要意義,因?yàn)槠跁?huì)影響自主神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié),導(dǎo)致HRV的變化。由于當(dāng)前技術(shù)限制,將rppG技術(shù)投入疲勞監(jiān)測(cè)場(chǎng)景應(yīng)用的案例并不多,主要集中在日常生活壓力檢測(cè)方面,不過,鑒于rppG信號(hào)采集十分便捷,其在車輛安全、工業(yè)生產(chǎn),健康管42《ppG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》盡管rppG技術(shù)展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力,其發(fā)展路徑上仍橫亙著幾大挑戰(zhàn)。首要挑戰(zhàn)在于其次,個(gè)體差異,包括膚色、年齡、皮膚條件等,對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響也是研究中亟需克服的問題。再者,算法的復(fù)雜性和計(jì)算效率之間的平衡,如何在保證高精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗、實(shí)時(shí)處理,是技術(shù)落地的關(guān)鍵。最后,隱私保護(hù)問題也不容忽視,特別是在公共場(chǎng)所應(yīng)用時(shí),以及新型傳感器技術(shù)的開發(fā),rppG的精度和魯棒性有望大幅提升,使其能在更多復(fù)雜場(chǎng)景下穩(wěn)定工作?？鐚W(xué)科研究,比如結(jié)合生理心理學(xué),將深化我們對(duì)人體生理信號(hào)的理解,開拓更多基于生理反應(yīng)的情緒識(shí)別、壓力管理等應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí),加強(qiáng)數(shù)據(jù)加密、匿名化處理等隱私保護(hù)措施,建立嚴(yán)格的數(shù)據(jù)使用規(guī)范,將是推動(dòng)rppG技術(shù)普及與信任度提升的關(guān)鍵?？傊?rppG技術(shù)正逐步成為連接人體生理信息與數(shù)字世界的橋梁,其深入發(fā)展和廣泛應(yīng)用,將深刻43《ppG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》PPG(rPPG)信號(hào)在情緒通過rppG信號(hào)實(shí)現(xiàn)情緒識(shí)別主要基于情緒對(duì)自主神經(jīng)系統(tǒng)(ANS)的影響。自主神經(jīng)系統(tǒng)包括交感神經(jīng)系統(tǒng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng),它們共同調(diào)節(jié)心率、呼吸、血壓等生理參數(shù)。當(dāng)個(gè)體經(jīng)歷不同的情緒狀態(tài)時(shí),ANS的活動(dòng)水平會(huì)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致心率和血液循環(huán)的變化。rppG信號(hào)可以捕捉這些變化,進(jìn)而推斷情緒狀態(tài)。rppG通過攝像頭捕捉面部皮膚的細(xì)微色彩變化,這些變化由心臟泵血導(dǎo)致的?率變異性(HRV)與情緒心率變異性(HRV)是心跳間隔時(shí)間的變異性,是衡量自主神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)的重要指標(biāo)。不同情緒狀態(tài)下,HRV的特征表現(xiàn)不同?！銇碚f,放松狀態(tài)下的HRV較高,而壓力或緊張狀態(tài)下的HRV較低。通過分析rppG信號(hào)中的HRV特征,呼吸模式的變化,從而影響血液含氧量。通過分析rpp化,可以進(jìn)—步豐富情緒識(shí)別的特征集。44《ppG連續(xù)生理特征感知技術(shù)及應(yīng)用》通過持續(xù)監(jiān)測(cè)個(gè)體的情緒狀態(tài),rppG通過持續(xù)監(jiān)測(cè)個(gè)體的情緒狀態(tài),rppG技術(shù)可以幫助及早發(fā)現(xiàn)情緒異常狀況,并提供及時(shí)在智能家居、智能手機(jī)、車載系統(tǒng)等領(lǐng)域,rppG情緒識(shí)別技術(shù)可以根據(jù)用戶的情緒狀態(tài)情緒識(shí)別技術(shù)可以使人機(jī)交互更加自然和情感化。通過實(shí)時(shí)了解用戶的情緒狀態(tài),系統(tǒng)可以做出更