PPG连续生理指征感知与生物识别技术及其应用白皮书

感知技术及应用 PPGContinuousPhysiologicalFeaturePerceptionTechnologyandItsApplication 心跳支付白皮书目录 顾问组成员 史元春、李俊奎、王维强 编写组成员 唐健凯、王运涛、李哲、朱凯、童仁玲、闫箫同、易鑫、周璐曦、刘家成、赵光烨兴军亮、郑亮、朱丛、周莉、应丰 版权声明 本技术白皮书由清华大学与蚂蚁集团共同研究、编制而成。所有内容，包括但不限于技术方案、理论分析、实验数据、图表、代码片段等，均受到国际版权法及各国相关知识产权法律法规的保护。 未经明确书面许可，任何个人、组织或实体不得以任何形式复制、散布、修改、展示、出版、传输或利用本白皮书的部分或全部内容，包括但不限于用于商业目的。对于教育及非商业性研究用途，可依据“合理使用”原则进行有限度的引用，但需确保明确标注来源为本白皮书及其出版年份，并保持引用内容的准确性和完整性。 对于希望基于本白皮书内容进行进一步研究、开发或商业合作的机构和个人，敬请直接联系security_centre@service.alipay.com，以获取必要的授权与支持。 我们保留对任何侵犯本白皮书版权行为采取法律措施的权利。特此声明。 01.PPG信号是什么？1 02.PPG信号如何采集4 2.1PPG信号采集途径4 2.1.1光源与光电传感器4 2.1.2光线发射8 2.1.3光传播和检测10 2.1.4信号处理11 2.2PPG信号采集常用设备15 2.2.1可穿戴设备15 2.2.2摄像终端16 2.2.3医疗设备16 2.2.4头戴式设备17 2.2.5其他类型设备17 03.rPPG技术18 3.1rPPG原理18 3.2rPPG技术路线19 3.2.1数据预处理19 3.2.2rPPG算法20 3.3rPPG领域进展与展望20 3.3.1应用前景21 3.3.2技术挑战21 04.PPG信号的影响因素23 4.1.影响PPG信号的生理因素23 4.1.1运动及运动伪影23 4.1.2精神状态24 4.1.3体温24 4.1.4腕部肌肉状态25 4.1.5随时间的自身变化25 4.1.6皮肤特性26 4.2.影响PPG信号的外部因素26 4.2.1接触压力26 4.2.2佩戴位置27 4.2.3环境光照28 05.影响rPPG信号的因素29 5.1环境光照条件29 5.2皮肤特性29 5.7图像处理算法31 5.8设备硬件31 5.9外界干扰31 06.PPG（rPPG）信号在疾病 诊断场景的应用及挑战32 6.1社会价值32 6.2应用进展及实践32 6.3挑战及展望33 07.PPG（rPPG）信号在生物 识别场景的应用及挑战34 7.1应用潜力34 7.2社会价值36 7.3应用进展及实践37 7.4在某厂商上的应用案例38 7.4.1设备选型及测试数据38 7.4.2测试流程和测项39 7.4.3测试指标40 7.4.4实战总结40 7.5.挑战及展望41 08.PPG（rPPG）信号在疲劳 检测场景的应用及挑战42 8.1检测原理42 8.2社会价值42 8.3应用进展及实践42 8.4挑战及展望43 09.PPG（rPPG）信号在情绪 识别场景的应用及挑战44 9.1识别原理44 9.2社会价值45 9.2.1心理健康监测与干预45 9.2.2人机交互的智能化提升45 9.1.3教育领域的个性化教学46 9.1.4市场营销与用户研究46 9.1.5社会治理与公共安全46 9.3应用进展及实践47 9.4挑战及展望47 联合出品 5.3测量距离和角度30 9.4.1挑战47 5.4人体运动30 5.5生理因素30 5.6相机和传感器特性30 9.4.2展望48 10.PPG（rPPG）信号在健康 检测场景的应用及挑战49 01 PPG信号是什么？ PPGAmplitude(Counts) Systolicpeak Diastolicpeak Dicro Time(s) tch ticno Photoplethysmographic（PPG），即光电容积脉搏波描记法，是一种以LED光源和探测器为基础，通过测量照射在人体皮肤表面被血管等组织反射回的光的衰减程度，进而记录血管的搏动状态，同时测量脉搏波的一种测量人体生理数据的方法。PPG最早在20世纪30年代时出现，具有简便、低成本、无创等特点。这项技术最早被用于照射人体的手指和脚趾，将其结果与X光等透射光的检查结果进行比较确认。近20年内，在长期观察中确认了该技术的可行性后，PPG相关的研究逐渐增加，测量点位从单个点位扩展到多个，测量方式也从接触式发展出了非接触式，其应用范围逐渐从测量循环系统各类生理指标扩展到各方面体征，如呼吸系统等。 SP Time(s) DPDN 0t1SP/2tSPtDNtDPt2SP/2 Amplitude(V) （图注：PPG信号波形图） tNEXTTROUGH 在每次脉冲中，PPG波形包括收缩峰（systolicpeak）、二尖波（dicroticnotch）和舒张峰（diastolicpeak）。收缩峰（红点来源于心脏的收缩活动（contractionactivityofheart）二尖波（绿点）来源于主动脉瓣的关闭（closureoftheaorticvalve）舒张峰（黄点）则是指血液流入外围循环。 SystolicPhaseDiastolicPhase 250 200 Intensity 150 100 50 0 -50 -100 0 10203040 5060 708090 Numberofsamples Red：Systolpeak.Green：Dicroticnotch.Yellow：Diastolicpeak. EachpulseofthePPGisdividedintotwophases：systolicanddiastolicphases. （图注：PPG信号波形图） 当我们去到医院，通常都需要经历各类检查，如体温、心率、血压、呼吸频率、血氧饱和度等，这些反映人生命体征的指标能帮助本人判断当前状态，有助于旁人判断是否应采取救助，便于就医时医护人员判断病人是否危急。目前，各类生理学信号的测量方式应用了流体力学、光学等多种理论的知识，需要多种器械配合，如使用红外测温枪或水银温度计测量体温，用水银血压计测量收缩压及舒张压，使用指压法简单测算心率，用目测法估算呼吸频率、评估末梢血液循环，体内探针法测定各类血流动力学参数。而这些指标都可以通过PPG技术有所反映，可以利用PPG信号的周期计算心率，周期变化率测算心率变异性，通过不同波长的光的吸收率之比测量氧合血红蛋白及去氧血红蛋白的比例从而得出血氧饱和度，进一步可关联PPG基线变化与血压、呼吸频率的关系，PPG信号的上下极差可用于判断末梢血供情况。PPG信号以一种独特的方式，用光电信号记录人面部血管搏动、血流速度、血液状态，将这些原本需要多个设备和一定医学储备来进行测量的生理信号，提供一站式测量方案，减少普通人自行测量相关数据的器材需求，降低人们关心自己身体健康的难度。 以生命体征数据为基础，研究者不断探索PPG信号的效用，在疾病预测上取得了不菲的成果，如心血管疾病。心电图（ECG）是诊断心脏疾病的重要方式，心电图曲线可以提示如房颤、室颤、心率失常、陈旧或新发心肌梗死、传导阻滞等多种心肌相关的疾病。同步ECG与PPG信号可以发现，PPG信号同样可以反映心电特征，通过总结PPG信号的异常，可以提示人可能存在心脏疾病，从而做到对心脏疾病的早发现、早诊断、早治疗，减缓慢性疾病的病情发展，对疾病的急性发作作出预警，提高发病患者的生存率。 02 PPG信号如何采集? 上文提到，PPG信号可以反映大量人体生理特征，对人体健康监测具有重大意义。因此，如何采集PPG信号，尤其是如何采集到高质量的PPG信号，是使用PPG信号进行生理特征感知的重中之重。 2.1PPG信号采集途径 2.1.1光源与光电传感器 光源和光电传感器是PPG技术实现的基础，它们共同作用于捕捉血液容积的微小变化，从而为非侵入性生理监测提供了一种有效手段。光源和光电传感器在采集过程中的工作涉及到光信号的发射、传播、接收与转换，也会受到多种因素的影响。为了获取优质的光学信号，选取合适的光源与相应的光学传感器是PPG信号采集的重要一环。 通过光源采集PPG（光电容积描记）信号的过程，是利用光在人体组织中的吸收和散射特性来无创监测血液容积变化的一种技术。具体而言，该过程涉及使用光线照射人体的透光部位，如指尖或耳垂。光线穿透皮肤后，会部分被血液中的血红蛋白吸收，尤其是动脉血液，因为动脉血氧合程度高，吸收光的能力随心跳周期中血液容积的变化而变化。未被吸收的光线则反射或散射回传感器。通过检测这些光强度的微小变化，可以间接反映心脏搏动引起的血容量波动，从而提取出PPG信号。此信号包含了心率、血氧饱和度以及血管弹性等生理信息，广泛应用于健康监测设备，如智能手环、脉搏血氧仪等。值得注意的是，为了减轻后续信号处理（尤其是去除信号中的噪声）的负担，以及考虑到小型设备续航问题，用于采集PPG信号的光源对波长、光强、稳定性以及功耗均有较高的要求： 波长选择 目前PPG信号采集使用的主流光源主要分为3种，一是红光（600-700nm，常用660nm），这是由于红光能够穿透较深的皮肤和组织，适用于测量较深层的血流变化；二是红外光（700-1000nm，常用940nm），和红光类似，红外光也具有良好的穿透能力，可以提供更高的信噪比，尤其是在运动场景下；三是绿色光（500-600nm，常用530nm），和上述两种光不同，绿色光更容易被皮肤和血液吸收，适用于浅层血流变化的测量，如今我们常见的智能手表、手环使用的便是这类光源。 光源强度 采集过程中对光源的强度要求很高，其原因在于需要提高信号质量与信噪比。高强度的光源可以确保足够的光穿透组织深层，即使在血流微弱或者皮肤色素、血管深度不一的情况下，也能保证有足够的信号被光电探测器接收。这样不仅增强了信号的稳定性，减少了外界干扰（如运动伪迹、环境光线变化）的影响，还提高了测量的准确性和可靠性，确保了数据采集的高质量与临床应用的有效性。 光源稳定性 光源的稳定性对PPG信号的质量有显著影响。由于PPG信号的采集主要依靠的是光源和光电传感器的协同运作，不稳定的光源会给光电传感器接收到的信号中引入噪声，最坏的情况下，捕获到的信号的周期都有可能受到影响，这将进一步导致后续计算得到的心率等依赖于信号周期性的生理信号出现大的误差。 功耗 在可穿戴设备中，光源的功耗是一个重要考虑因素。可穿戴设备电池容量本身有限，光源功耗过高将导致设备续航能力下降，进一步使得设备其他功能的部署受限，使用者体验不佳。选择低功耗的LED光源可以有效避免上述问题的出现。 光电传感器 光电传感器是PPG（光体积描记法）信号采集中必不可少的采集工具，影响光电传感器PPG信号采集质量的因素很多，例如传感器自身特性，如光波长选择、灵敏度、响应速度能够直接影响采集效果，次要因素也包括传感器与皮肤接触的紧密度、个体差异，如肤色深浅、血管分布、血液特性等；运动伪迹，身体移动造成的信号干扰、环境光干扰等等都会影响PPG信号的形态和强度。 因此，优化传感器设计、采用有效的信号处理算法以及合理用户指导对于提高PPG信号采集的准确性和稳定性至关重要。常用的光电传感器主要有硅光电二极管、气相外延光电二极管、InGaAs光电二极管等，不同传感器有其不同优缺点。 光谱响应范围 灵敏度 优点 缺点 硅光电二极管 400-1100nm 高 广泛的光谱响应范围 （能够响应从可见光到近红外光的光） 对环境温度变化敏感 稳定性好（长时间使用后性能变化小） 气相外延光电二极管 400-1000nm 很高 超高灵敏度（通过内部增益机制实现信号放大） 功耗较高 获得的信号噪声较大 InGaAs光电二极管