《Nature Sensors》刊发中国青年学者成果，突破远程生理监测环境光干扰难题
在智慧医疗、居家健康管理和车载安全系统等领域，远程、非接触式生命体征监测技术正成为关键发展方向。相较依赖贴附电极的传统可穿戴设备，基于光学成像的生理信号采集方法更具自然性和普适性。然而，环境光的动态变化始终是影响这类技术性能的主要障碍。
日光波动、屏幕频闪、室内外光源切换等均可能引发信号漂移，导致实验室中表现良好的光谱成像系统在现实场景中难以稳定运行。如何在复杂光照条件下准确获取心率、血氧乃至血压等关键生物参数，一直是制约该技术实用化的难点。
近日，来自美国威斯康星大学麦迪逊分校的喻宗夫教授团队与邵泽伟博士合作，提出了一种基于锁相放大原理的高鲁棒性高光谱成像方案。该系统通过“主动调制光源 + 像素级同步解调”策略，从源头上抑制环境光干扰，实现了在强光波动甚至低照度条件下稳定提取生理信息。
在远程心率检测测试中，该系统误差控制在3 bpm以内；血氧饱和度监测误差低于3%；同时，系统还能重建血压与心电波形，为非接触式多参数生命体征感知提供了新的技术路径。研究成果以“Robust spectral sensor for standoff biometric detection”为题发表于《Nature Sensors》，邵泽伟为第一作者及通讯作者，Guoming Huang为共同第一作者。
突破传统光谱成像的环境光干扰瓶颈
传统RGB相机或高光谱成像设备通常采用“被动接收光”模式，无法区分主动照明与背景环境光。一旦环境光发生变化，图像强度和光谱分布即出现整体偏移。而团队提出的锁相高光谱成像方案通过引入“主动调制”策略，为不同波长的LED光源分配特定频率，使传感器仅响应目标频率的信号。
这一设计相当于在复杂声场中，只接收预设频率的“暗号”信号。调制光与参考信号混频后，通过低通滤波保留同步的直流成分，从而有效过滤低频环境光扰动和1/f噪声，即便在3000 K至6000 K甚至更剧烈的光照变化条件下，仍能保持高光谱图像的稳定。
该“频率域隔离”方法是系统具备高鲁棒性的核心所在。
在多种真实场景中验证远程心率检测能力
为测试系统在实际应用中的表现，研究团队模拟了阅读、打游戏、交谈和睡眠等多种日常活动场景。这些环境通常具有高度不可控的光照条件。
- 实验结果表明，传统高光谱相机在这些场景中信号波动显著；
- 而锁相系统采集的面部反射信号始终保持平稳；
- 由此提取的远程光电容积脉搏波（rPPG）波形清晰、峰值分明；
- 最终心率误差显著下降，避免了传统方法中常出现的二三十 bpm 的“灾难性偏差”。
拓展至血氧饱和度监测
在稳定获取rPPG信号的基础上，研究进一步引入660 nm与940 nm双波长照明，用于血氧饱和度（SpO₂）的计算。
通过比较两个波段的交流/直流分量比值，系统可实时追踪血氧变化。在呼吸屏气实验中，即便环境光剧烈波动，锁相系统的SpO₂曲线仍与接触式设备高度吻合，而常规高光谱方法则表现出明显失真，显示出其在临床级可靠性上的潜力。
高质量rPPG信号带来的应用潜力
稳定、低噪声的rPPG信号不仅能用于心率和血氧监测，还蕴含更丰富的生理信息。
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波形特征，相关系数超过0.92。此外，系统还能准确预测收缩压和舒张压。
相比之下，基于常规高光谱数据训练的模型因噪声干扰大而难以实现泛化。这一成果凸显了信号质量在智能医疗系统中的基础性地位。
开启非接触式多参数生命体征感知的通用平台
该研究首次实现了在复杂光照环境下接近临床级别的远程生理监测性能。
更重要的是，该高光谱传感框架不局限于心率或血氧监测，其具备通用性，可为多参数、连续生命体征感知提供技术支撑。
随着系统的小型化、计算能力的优化，以及与车载、智能家居设备的深度融合，这种“不怕光变”的光谱传感技术有望突破实验室环境，真正进入日常健康监测和智慧医疗应用场景。
论文链接：Shao, Z., Huang, G., Mielczarek, A. et al. Robust spectral sensor for standoff biometric detection. Nat. Sens. (2026). https://doi.org/10.1038/s44460-025-00012-0
审核编辑：黄宇