《Nature Sensors》刊发最新成果，中国青年学者助力远程生命体征监测突破
在智慧医疗和居家健康监测不断发展的背景下，非接触式生命体征监测被视为关键技术之一。相比需要贴附皮肤的传统可穿戴设备，基于光学成像的生理信号检测具有更高的用户友好性和广泛适用性。然而，该方法长期面临一个挑战：环境光干扰问题。
日光变化、屏幕闪烁以及室内外光源频繁切换等因素，往往导致信号采集不稳定，使得实验室中表现良好的光谱成像技术难以在实际环境中应用。如何在复杂光照条件下仍能准确提取心率、血氧甚至血压等生理参数，成为限制该技术落地的关键。
近日，威斯康星大学麦迪逊分校的喻宗夫教授与邵泽伟博士团队提出了一种基于锁相放大原理的高鲁棒性高光谱成像框架。该方案通过“主动调制光源 + 像素级同步解调”的方法，从源头上抑制环境光干扰，实现了在强光波动甚至低光照条件下的稳定信号采集。实验表明，该系统在远程心率测量中误差低于3 bpm，血氧饱和度测量误差不超过3%，并能进一步重建血压和心电波形，为非接触多参数生理监测提供了新的技术路径。
传统光谱成像的局限与新方法的核心机制
传统的RGB相机或高光谱成像设备本质上是“被动式”接收光线，无法有效区分主动照明与环境背景光。环境光的变化会直接导致图像强度与光谱分布的漂移。而研究团队提出的锁相高光谱成像方案则引入“主动调制”机制：将不同波长的LED光源调制至特定频率，传感器在像素层面对应频率的信号进行选择性接收，其余背景光则被自动过滤。
这种机制类似于在嘈杂环境中只聆听“事先约定的暗号”。系统通过混频调制光与内部参考信号，并经过低通滤波，仅保留与目标光源同步的直流成分。低频扰动与1/f噪声被有效抑制，从而确保即使在3000 K 到 6000 K 甚至更剧烈的光照变化下，图像亮度和颜色仍能保持一致。
真实场景中的远程心率测试表现
为验证系统在实际应用中的稳定性，研究人员设计了多种典型场景，包括阅读、游戏、交谈和睡眠等。这些场景的共同特点是光照条件复杂且难以控制。
- 结果显示，传统高光谱相机在这些环境下信号波动剧烈；
- 而锁相高光谱系统采集的面部反射信号始终保持稳定，
- 由此提取的远程光电容积脉搏波（rPPG）波形清晰、峰值明确，最终计算出的心率误差显著降低。
在多个测试中，误差值从未超过3 bpm，极大减少了以往“灾难性偏差”的出现。
双波长扩展：从心率到血氧饱和度监测
在获取稳定rPPG信号的基础上，研究团队进一步引入660 nm 和 940 nm 两个波长的光源，用于血氧饱和度（SpO₂）的计算。
通过比较这两个波段的交流/直流分量比值，系统能够实时追踪血氧变化。在一次呼吸屏气实验中，即便环境光剧烈波动，锁相系统提供的SpO₂曲线仍与接触式设备高度一致，而常规高光谱方法则表现出明显失真。这表明该方法已具备临床级别的可靠性。
高质量信号的价值：从基础指标到心电与血压重建
除了心率与血氧之外，高质量的rPPG信号还蕴含了更丰富的生理信息。研究团队利用机器学习模型，将锁相相机采集的rPPG作为输入，成功重建了心电图（ECG）中的P、R、T波特征，相关系数超过0.92。
此外，系统还能实现对收缩压和舒张压的准确预测。相比之下，使用传统高光谱数据训练的模型因噪声干扰过大而难以泛化。
这一结果说明，在智能医疗体系中，信号质量是实现可靠分析与诊断的基石。
未来展望：走向多参数感知与智慧医疗落地
本研究通过将锁相放大技术引入高光谱成像，从根本上解决了环境光干扰这一长期技术瓶颈，使非接触式生命体征监测首次在真实光照条件下表现出接近临床应用的稳定性与精度。
更重要的是，该框架并不局限于心率和血氧等单一参数，而是为多参数、连续生理监测提供了通用技术平台。未来，随着设备小型化、算力优化以及与车载、智能家居等场景的深度融合，这种具备“抗光扰”能力的光谱传感技术，有望真正从实验室走向大众健康监测与智慧医疗实际应用。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s44460-025-00012-0
审核编辑：黄宇