中國青年學者一作兼通訊！最新Nature Sensors，創刊第三篇！

不怕光變！這項“鎖相”成像技術，讓遠程測心率和血氧更準了

遠程、非接觸式生命體征監測，被認為是未來智慧醫療、居家健康管理和車載安全系統的重要技術基礎。相比傳統可穿戴設備，基于光學成像的生理信號檢測無需貼附電極，使用更自然、覆蓋人群更廣。然而，這類方法長期面臨一個核心難題：環境光極不穩定。日光變化、屏幕閃爍、室內外光源切換，都會嚴重干擾信號獲取，使得實驗室中表現優異的光譜成像技術，在真實世界“水土不服”。如何在復雜、動態光照條件下，依然穩定提取心率、血氧甚至血壓等關鍵生理信息，成為制約該領域走向應用的瓶頸。

今日，威斯康星大學麥迪遜分校喻宗夫教授和邵澤偉博士報道了一種基于鎖相放大原理的高魯棒性高光譜成像框架，通過“主動調制光源 + 像素級同步解調”，從源頭上抑制環境光干擾，實現了在強光變化甚至弱光條件下的穩定生物信號采集。該系統在遠程心率檢測中將誤差控制在 3 bpm 以內，在血氧飽和度監測中誤差低于 3%，并進一步利用高質量信號重建了血壓與心電波形，為非接觸多參數生命體征感知提供了一條可行的新路徑。相關成果以“Robust spectral sensor for standoff biometric detection”為題發表在《Nature Sensors》, 邵澤偉為一作兼通訊，Guoming Huang為共同第一作者。

從傳統光譜成像的困境說起

常見的RGB相機或傳統高光譜相機，本質上都是“被動接收光”。它們在成像時無法區分：哪些光來自主動照明，哪些來自環境背景。只要環境光發生變化，圖像強度和光譜分布就會整體漂移（圖1中左、中的示意）。研究團隊提出的鎖相高光譜方案，則引入了“主動節奏”：不同波長的LED光源被調制到特定頻率，傳感器在像素層面只對對應頻率的信號“開門接收”，其余環境光被自動濾除（圖1右）。這一步，相當于在嘈雜環境中，只聽“自己約定好的暗號”。在系統中，調制光與傳感器內部的參考信號進行混頻，經過低通濾波后，僅保留與目標光源同步的直流分量。低頻的環境光擾動和1/f噪聲被有效抑制，使得即便在3000 K 到 6000 K 甚至更劇烈的光照變化下，獲取的高光譜圖像在亮度和顏色上依然保持高度一致。這種“頻率域隔離”策略，是整套系統魯棒性的核心。

圖1：不同成像體系對環境光的響應對比，以及鎖相高光譜成像的工作原理示意

真實場景中的遠程心率測試

為了驗證系統在現實生活中的表現，研究人員設計了多種典型使用場景：閱讀、打游戲、交談、睡眠等（圖2d）。這些場景共同特點是光照變化復雜且不可控。結果顯示，傳統高光譜相機在這些條件下信號波動劇烈，而鎖相相機采集的面部反射強度始終平穩（圖2c）。由此提取的遠程光電容積脈搏波（rPPG）波形清晰、峰值明確（圖2e），最終計算得到的心率誤差顯著降低，最大誤差不再出現動輒二三十 bpm 的“災難性偏差”（圖2f）。

圖2：在閱讀、游戲、交談、睡眠等真實場景下的遠程心率檢測穩定性對比

從單一心率到血氧飽和度

在穩定獲取rPPG信號的基礎上，團隊進一步引入 660 nm 與 940 nm 雙波長照明，用于血氧飽和度（SpO?）計算。通過比較兩個波段的交流/直流分量比值，系統可以實時追蹤血氧變化（圖3a）。在呼吸屏氣實驗中，即便人為制造環境光劇烈波動，鎖相系統給出的SpO?曲線仍與接觸式設備高度一致，而常規高光譜方法則明顯失真（圖3c,d）。這表明該方法已具備臨床意義上的可靠性。

圖3：基于雙波長rPPG的血氧飽和度測量及其在動態光照下的魯棒性

高質量信號帶來的“附加價值”

穩定、低噪聲的rPPG信號，不僅能測心率和血氧，還蘊含更豐富的生理信息。研究團隊利用機器學習模型，將鎖相相機采集的rPPG作為輸入，成功重建了心電圖（ECG）中的P、R、T波形特征（圖4c–f），相關系數超過0.92。同時，系統還實現了對收縮壓和舒張壓的準確預測（圖4g）。相比之下，使用常規高光譜數據訓練的模型因噪聲過大而難以泛化。這一結果凸顯了“信號質量”在智能醫療中的基礎性作用。

圖4：利用高質量rPPG信號重建心電圖與血壓的機器學習結果展示

小結

這項研究通過將鎖相放大思想引入高光譜成像，從硬件與信號機制層面破解了環境光干擾這一長期難題，使非接觸生理監測首次在真實復雜光環境下展現出接近臨床級的穩定性與精度。更重要的是，該框架并不局限于心率或血氧，而是為多參數、連續生命體征感知提供了通用底座。未來，隨著系統小型化、算力優化以及與車載、家居設備的深度融合，這種“不怕光變”的光譜傳感技術，有望真正走出實驗室，進入日常健康監測與智慧醫療場景。