Fotopletyzmografia (PPG) jest szeroko stosowaną techniką optyczną służącą do pomiaru zmian objętości krwi w mikronaczyniach tkankowych.
Skuteczność PPG w zastosowaniach biometrycznych jest w znacznym stopniu zależna od długości fali światła używanej do akwizycji sygnału. Różne długości fal oddziałują ze skórą i krwią w odmienny sposób, wpływając na jakość i charakterystykę sygnału PPG.
Charakterystyka długości fali i jakość sygnału
1. Głębokość penetracji:
– Różne długości fal wnikają w tkanki skóry na różnych głębokościach. Na przykład dłuższe fale (np. podczerwień przy 940 nm) mogą wnikać głębiej niż krótsze fale (np. zielone światło przy 525 nm). Ta cecha jest kluczowa dla wychwytywania sygnałów PPG z głębszych naczyń krwionośnych, co może zwiększyć niezawodność pomiarów, zwłaszcza u osób o różnych typach i grubościach skóry[5][9].
2. Wchłanianie przez hemoglobinę i melaninę:
– Widma absorpcyjne hemoglobiny i melaniny zmieniają się w zależności od długości fali. Krótsze długości fal, takie jak niebieskie i zielone światło, są bardziej absorbowane przez melaninę, co czyni je mniej skutecznymi dla osób o ciemniejszym odcieniu skóry. Z kolei światło podczerwone jest mniej absorbowane przez melaninę, co pozwala na lepsze pozyskiwanie sygnału w tych populacjach[4][9]. Badania wykazały, że zielone światło ma tendencję do zapewniania wyższego stosunku sygnału do szumu (SNR) w warunkach spoczynku, podczas gdy niebieskie i zielone długości fal działają lepiej podczas aktywności fizycznej ze względu na zwiększone zmiany objętości krwi[4].
3. Modulacja sygnału:
– Modulacja sygnału PPG, która odzwierciedla zmiany objętości krwi przy każdym uderzeniu serca, jest również zależna od długości fali. Badania wskazują, że zielone światło zapewnia większą średnią modulację w porównaniu ze światłem czerwonym lub podczerwonym, szczególnie w warunkach spoczynku. Modulacja ta jest kluczowa dla dokładnej identyfikacji biometrycznej, ponieważ bezpośrednio odnosi się do jakości przebiegu PPG[4][9].
Optymalny wybór długości fali
1. Kwestie związane z odcieniem skóry:
– Wybór długości fali powinien uwzględniać odcień skóry osoby poddawanej pomiarowi. W przypadku jaśniejszych odcieni skóry krótsze fale mogą dawać lepsze rezultaty, natomiast w przypadku ciemniejszych odcieni skóry dłuższe fale mogą być korzystniejsze, aby zminimalizować absorpcję przez melaninę[2][4].
2. Podejścia wielodługościowe:
– Wykorzystanie wielu długości fal może zwiększyć solidność pozyskiwania sygnału PPG. Systemy PPG o wielu długościach fali (MW-PPG) mogą łączyć sygnały z różnych długości fal, aby poprawić SNR i zmniejszyć wpływ szumu i artefaktów. Takie systemy wykazały się obiecującą skutecznością w dostarczaniu bardziej stabilnych i dokładnych sygnałów PPG w różnych populacjach i warunkach[8][9].
3. Projekt urządzenia i układ czujników:
– Układ źródeł światła i fotodetektorów odgrywa również kluczową rolę w jakości sygnału PPG. Optymalizacja separacji źródła/detektora i zapewnienie prawidłowego wyrównania może znacząco wpłynąć na wydajność urządzeń PPG, szczególnie przy użyciu różnych długości fal[4][9].
Wybór długości fal świetlnych do akwizycji sygnału PPG jest kluczowym czynnikiem aplikacje biometryczneZrozumienie interakcji między światłem, skórą i krwią o różnych długościach fal może prowadzić do poprawy systemy biometryczne które są dokładniejsze i bardziej niezawodne w różnych populacjach. Przyszłe zmiany w Technologia PPG powinna skupić się na optymalizacji wyboru długości fal i konstrukcji czujnika w celu zwiększenia dokładności identyfikacji biometrycznej i uwierzytelniania.
Cytaty:
[1] https://www.researchgate.net/figure/PPG-signal-for-different-wavelengths-with-standardization-of-LED-power_fig5_355117838
[2] https://www.researchgate.net/figure/Mean-PPG-signal-shapes-for-each-wavelength-with-standard-deviation-SD_fig3_253375174
[3] https://trepo.tuni.fi/bitstream/10024/154951/5/AdeyemiAkinlabi.pdf
[4] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8073123/
[5] https://www.researchgate.net/publication/23932320_Comparison_of_Reflected_Green_Light_and_Infrared_Photoplethysmography
[6] https://www.researchgate.net/publication/322049222_Evaluation_of_PPG_Biometrics_for_Authentication_in_different_states
[7] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4848078/
[8] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7698030/
[9] https://www.frontiersin.org/journals/physiology/articles/10.3389/fphys.2021.808451/full
Polski 
English 
Հայերեն