2024年P(guān)PG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ANTGROUP本技術(shù)白皮書由清華大學(xué)與螞蟻集團(tuán)共同研究、編制而成。所有內(nèi)容，包括但不限于技術(shù)方案、理論分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖表、代碼片段等，均受到國際版權(quán)法及各國相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)未經(jīng)明確書面許可，任何個(gè)人、組織或?qū)嶓w不得以任何形式復(fù)制、散布、修改、展示、出版、傳輸或利用本白皮書的部分或全部內(nèi)容，包括但不限于用于商業(yè)目的。對(duì)于教育及非對(duì)于希望基于本白皮書內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步研究、開發(fā)或商業(yè)合作的機(jī)構(gòu)和個(gè)人，敬請(qǐng)直接數(shù)字科技螞蟻集ANT數(shù)字科技螞蟻集ANTGROUP螞蟻集ANTGROUP14144484.2.2佩戴位置4.2.3環(huán)境光照9.4.2展望Photoplethysmographic（PPG即光電容積脈搏波描記法，是一種測器為基礎(chǔ)，通過測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)測量脈搏波的一種測量人體生理數(shù)據(jù)的方法。PPG最早在20代時(shí)出現(xiàn)，具有簡便、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，0●●00Numberofsamples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，如使用紅外測溫槍或水銀溫度計(jì)測量體溫，用水銀血壓計(jì)測量收縮壓及舒張壓，使用指壓法簡單測算心率，用目測法估算呼吸頻的光的吸收率之比測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)一步可原本需要多個(gè)設(shè)備和一定醫(yī)學(xué)儲(chǔ)備來進(jìn)行測量的生理信號(hào)，提供一站式測量方案，減少普通在心臟疾病，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，這是由于紅光能夠穿透較深的皮膚和組織，適用于測量較深層的血流變化；二是紅外光(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、血管深度不一的情況下，也能保證有足夠的信號(hào)被光電探測器接收。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)一步導(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，光源的功耗是一個(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)一步使得設(shè)備其他功能的部署受限，使用者體驗(yàn)不光電傳感器是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、集的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。常用的光電傳感器主要有硅光電二極管、氣相外延光電二極高光源應(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，提升測量精確通常使用恒流源驅(qū)動(dòng)LED，避免光強(qiáng)在測量過LED的光束需要均勻，以避免由于光強(qiáng)不均勻?qū)е碌男盘?hào)誤差。常采用光學(xué)透鏡或擴(kuò)散片來光源以特定頻率（如數(shù)百赫茲到幾千赫茲）進(jìn)行開關(guān)。這個(gè)頻率應(yīng)當(dāng)與預(yù)期的心率范圍明顯LED在工作過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，溫度變化會(huì)影透射法主要利用光的吸收原理。當(dāng)光通過人體組織時(shí)，不同波長的光會(huì)被血液中的成分以不同的程度吸收。通過檢測透射光的強(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，這些血液中的血紅蛋白（Hb）和氧合血紅蛋白（HbO受環(huán)境光干擾：環(huán)境光可能會(huì)影響測量結(jié)果，因此需要采取措施（如使用濾光片或在暗室中信號(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使用高增益運(yùn)算放大器(使用高增益運(yùn)算放大器(OriginalDatawithBandsrepresentingUpperandOriginalDataMedian+-Threshold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通過檢測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120120Samples）（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)Fitbit：多款Fitbit手表（如Charge系列、Versa系列）內(nèi)置此外，其他帶有攝像功能的手機(jī)、平板、電腦，均可不少商業(yè)巨頭如蘋果、微軟，都對(duì)此有所計(jì)劃，預(yù)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AAAAAAA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rPPG見的用于rPPG信號(hào)預(yù)測的監(jiān)督算法包括DeepPhys、PhysNet、PhysFormer、E?cient-基于視頻的非接觸式生理指征感知技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。攝像頭的普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，多種生理指標(biāo)的測量：相比依賴于穿戴設(shè)備的特定特定場景中的應(yīng)用潛力：在車載、居家等環(huán)境中，rPP理指標(biāo)方面同樣顯示出巨大的潛力。一些方法可以借助面部可見光成像和紅外熱成像中估計(jì)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總體來說，這些技術(shù)的發(fā)展提高了醫(yī)療監(jiān)測的便捷性和實(shí)時(shí)性，展示了其在未來關(guān)鍵領(lǐng)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。研制基于國產(chǎn)化器件的rPPG感增加，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)于恒上述的路徑長度變化模型，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)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)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)引入更多的因此，當(dāng)使用PPG技術(shù)進(jìn)行生理監(jiān)測或醫(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)接觸壓力不僅影響傳感器與測量部位之間的相對(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，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)不同類型的光源（自然光、白熾燈、熒光燈等）具有不同相機(jī)的分辨率和幀率直接影響rPPG信號(hào)的采集質(zhì)量。較高的分辨率和幀率可以提供更多的細(xì)不同的信號(hào)提取和處理算法對(duì)rPPG信號(hào)的敏感度和準(zhǔn)確性不同。優(yōu)化的算法可以提高比例超過40%，在各類疾病的患者死亡人數(shù)中排第一位。心血管疾病對(duì)國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)對(duì)心血管疾病的診斷主要依靠監(jiān)測血流動(dòng)力學(xué)的各類指標(biāo)，臨床上常見的檢測方式分為直接、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)力測定等，這類檢測方法無創(chuàng)、簡單、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，因此一種能結(jié)合可以用于獲取脈搏變異性，進(jìn)一步獲取心律的變化，用于判斷患者是否需要住院治療。另外在一些研究中，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爭取寶貴的治療時(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)證是一個(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)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)變得至心率和血氧飽和度。它通?；谡彰?，通過測量人體組織對(duì)光的反射和吸收來獲取各種生理容易獲取PPG信號(hào)可以通過攝像頭或傳感器從人難以偽造與面部識(shí)別和指紋技術(shù)相比，PPG信號(hào)不太如今，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，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)效益和社會(huì)價(jià)值。它為構(gòu)建更加安全、便捷的現(xiàn)代社會(huì)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步等分類方法，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)測學(xué)習(xí)，提近期的研究探索了結(jié)合聚類技術(shù)和深度學(xué)習(xí)方法的兩階段方法。通過利用手工特征進(jìn)行聚類，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)的輔助檢測手段。在30個(gè)受坐用戶:設(shè)備鎖真假假真真假假真真是是真假于靜態(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rPPG信號(hào)不僅反映心率變化，還間接反映出rPPG信號(hào)不僅反映心率變化，還間接反映出生活壓力檢測方面，不過，鑒于rPPG信盡管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、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)用場景。同時(shí)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)加密、匿名化處理等隱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 要指標(biāo)。不同情緒狀態(tài)下，HRV的特征表現(xiàn)不同。一般來說，放松狀態(tài)下的 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)可以做出更加人性化的反應(yīng)，從而提高交互體驗(yàn)。目前的人工智能多停留在回答問題層面，能提供的情緒價(jià)值微乎其微，如若人工智能具備了識(shí)別用戶情緒的能力，它們將不再是無情的問答機(jī)器，而是能夠分享快樂，分擔(dān)痛苦的虛擬伙伴。這有望為抑郁癥、孤獨(dú)癥等心理疾在教育領(lǐng)域，rPPG情緒識(shí)別技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測學(xué)生的情緒狀態(tài)，給予在遠(yuǎn)程教育中，教師難以通過傳統(tǒng)方式了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和情緒變化。rPPG情緒識(shí)別rPPG情緒識(shí)別技術(shù)可以實(shí)時(shí)捕捉消費(fèi)者在觀看廣告或體驗(yàn)產(chǎn)品時(shí)的情緒變化，提供更精準(zhǔn)的rPPG技術(shù)可以幫助企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)和服務(wù)設(shè)計(jì)中更好地了解用戶的情緒反應(yīng)，進(jìn)行針對(duì)盡管rPPG技術(shù)在情緒識(shí)別中展現(xiàn)出巨大潛力，但其實(shí)際應(yīng)用仍面臨多種挑戰(zhàn)。主要包括rPPG信號(hào)容易受到外