医疗器械：PPG连续生理特征感知技术及应用

感知技术及应用PPG Continuous Physiological Feature Perception Technology and Its Application目录PPG 信号是什么？01.2.1 PPG信号采集途径2.1.1 光源与光电传感器PPG 信号如何采集 02.2.1.3 光传播和检测2.1.2 光线发射2.1.4 信号处理4441810112.2 PPG信号采集常用设备2.2.1 可穿戴设备2.2.2 摄像终端 2.2.3 医疗设备2.2.4 头戴式设备151516161717PPG （rPPG）信号在疾病诊断场景的应用及挑战06.6.1 社会价值6.2 应用进展及实践6.3 挑战及展望3233323207. PPG （rPPG）信号在生物识别场景的应用及挑战 7.1 应用潜力7.2 社会价值7.4 在某厂商上的应用案例7.3 应用进展及实践7.4.1  设备选型及测试数据7.4.2  测试流程和测项7.4.3  测试指标7.4.4 实战总结7.5. 挑战及展望363434373838394040411918181920202121 rPPG技术03.3.1 rPPG原理 3.2 rPPG技术路线 3.2.2  rPPG算法3.2.1  数据预处理3.3 rPPG领域进展与展望 3.3.1  应用前景3.3.2  技术挑战4.2. 影响 PPG 信号的外部因素4.2.1 接触压力4.2.2 佩戴位置4.2.3 环境光照262627282323232424252526PPG 信号的影响因素04.4.1. 影响 PPG 信号的生理因素4.1.1 运动及运动伪影4.1.3 体温4.1.2 精神状态4.1.4 腕部肌肉状态4.1.5 随时间的自身变化4.1.6 皮肤特性08.8.1 检测原理8.2 社会价值8.4 挑战及展望8.3 应用进展及实践4242424342PPG（rPPG）信号在疲劳检测场景的应用及挑战09.9.1 识别原理9.2 社会价值9.2.2 人机交互的智能化提升9.2.1 心理健康监测与干预9.1.3 教育领域的个性化教学9.1.4 市场营销与用户研究9.1.5 社会治理与公共安全454444454546464647479.3 应用进展及实践9.4 挑战及展望9.4.2 展望9.4.1 挑战4748PPG（rPPG）信号在情绪识别场景的应用及挑战4910. PPG （rPPG）信号在健康检测场景的应用及挑战影响 rPPG 信号的因素05.5.1 环境光照条件5.2 皮肤特性5.5 生理因素5.4 人体运动5.6 相机和传感器特性292929303030305.3 测量距离和角度5.7 图像处理算法5.8 设备硬件5.9 外界干扰3131312.2.5 其他类型设备顾问组成员版权声明编写组成员史元春、李俊奎、王维强唐健凯、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。心跳支付白皮书联合出品《PPG 连续生理特征感知技术及应用》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。在每次脉冲中，PPG波形包括收缩峰（systolic peak）、二尖波（dicrotic notch）和舒张峰（diastolic peak）。收缩峰（红点来源于心脏的收缩活动（contraction activity of heart）二尖波（绿点）来源于主动脉瓣的关闭（closure of the aortic valve）舒张峰（黄点）则是指血液流入外围循环。（图注：PPG 信号波形图）PPG 信号是什么？01SPDPDNPPG Amplitude(Counts)Systolic peakDiastolic peakDicrotic notchAmplitude(V)Time(s)Time(s)0t1SP/2tSPtDNtNEXT TROUGHtDPt2SP/21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。（图注： PPG 信号波形图）《PPG 连续生理特征感知技术及应用》Number of samples2030105060408090700200250150100500-50-100Systolic Phase Diastolic PhaseIntensityRed： Systol peak. Green： Dicrotic notch. Yellow： Diastolic peak. Eac