心電圖身份識別在保險業應用專家共識

鄭州大學心電學研究所 天津心臟病學研究所

現代社會保險業迅速發展,2022 年中國新增保單554 億件,同比增長13.3%,賠款與給付支出1.5 萬億元[1]。 客戶身份識別是保險公司與客戶進行保險交易的基石,是指義務機構在勤勉盡責的基礎上采取合理手段了解客戶及其交易情況,以防騙保、洗錢及其他違法犯罪活動發生,涉及客戶新建、投保、賠付等多個業務環節[2]。 目前保險業主要采用有效身份證明文件,以及人臉、指紋、虹膜、DNA等生物識別技術進行客戶身份識別,但這些方法相對單一,易于仿造和模仿,識別可靠性較低。 近年來,假借他人心臟病病例騙保案件頻發,導致保險金大量流失,給保險業的健康有序發展帶來了嚴峻挑戰。 傳統的客戶身份識別手段和技術已經不能適應新形勢下保險業客戶身份識別的需求,國內外保險業急需有效、快捷的活體個人身份識別技術。心電圖具有生物特征的普遍性、可攜帶性、唯一性和穩定性,可“跨界”到信息技術領域,應用于保險業的活體個人生物特征身份識別。

心電身份識別技術在國內保險行業已應用了近20 年,并取得了階段性成果。 2006 年鄭州大學心電學研究所李中健教授等在國內開創性提出了“心電波形唯一性”假說[3],并將該理念推廣至醫療保險卡應用領域,同年申請了“心電生物特征身份識別卡”國家發明專利[4];2009 年,李中健等應用心電圖檢查技術對活體個人進行身份識別的研究成果榮獲河南省科學技術進步三等獎;2022 年,井艷等應用心電圖對參保人員進行身份識別的研究成果獲河南省教育廳科技成果一等獎;李中健教授研究團隊共計發表相關論文30 余篇。

為了推廣活體個人心電身份識別技術在保險業的應用,進一步豐富和完善生物特征識別技術,鄭州大學心電學研究所和天津心臟病學研究所共同組織相關領域專家,撰寫了《心電圖身份識別在保險業應用專家共識》。

1 常用的生物特征識別技術

生物識別技術是將計算機與光學、聲學、生物傳感器等密切結合,通過對人體固有生理特征或行為特征的收集、匯總、對比和分析,進行個人身份鑒定的技術[5]。 基于生物特征的普遍性、可攜帶性、唯一性和穩定性,基于人臉[6]、指紋[7]、虹膜[8]、基因[9]、手形[10]、聲紋[11]、步態[12]等的多種生物識別技術逐漸自成系統,應用于多個領域。

生物特征識別技術一般分為次級、高級、深奧生物特征識別技術三類。 次級生物特征識別技術主要包括人臉、掌形、掌紋、簽名和語音識別。 由于此類生物特征易于仿造和模仿,識別可靠性相對較低,一般只能應用于安保級別要求較低的領域。 高級生物特征識別技術主要是指視網膜、虹膜和指紋的識別。 由于此類生物特征比較復雜、不易仿造,因此被公認具有很高的可信度和準確度,廣泛應用于政府部門、軍事機構、銀行等安保級別要求較高的應用場景。 深奧生物特征識別技術主要包括血管紋理、人體氣味和DNA 識別。 此類生物特征極其復雜,不能仿造,一般被認為具有絕對的可信度和準確度。 由于血管紋理、人體氣味特征不易采集,因此識別技術還不成熟;DNA 識別技術相對成熟,但是費用較高,一般用于刑偵和親子鑒定。 每種生物特征識別技術都有其局限性:視網膜識別對于眼疾患者誤識率高;虹膜識別不易識別黑眼睛(深色眼球的虹膜)的個體和眼疾患者;指紋識別在手指有傷口或劃痕而使指紋模糊不清,或是指紋過于纖細以致不能在照片上清晰顯示的情況下存在誤識,且指紋易于乳膠復制,造假成本低。

每一種生物特征識別技術都有各自的特點,在不同場合各具優勢,而如果將多種生物特征識別技術聯合應用、優勢互補[13-17],則能進一步提高可靠性,應用前景也更為廣闊。 研究新方法的目的是豐富和完善生物特征識別技術,而不是讓一種方法取代另一種方法。 當然,采用一種簡捷可靠的生物特征進行識別是我們追求的理想目標。

2 心電生物特征識別技術及其優勢

心臟收縮之前先產生電激動,這種電激動被心電圖機記錄下來,形成隨心動周期規律變化的動態曲線,即心電圖[18]。 正常心電圖波形一般包括P波、QRS 波、T 波、U 波、PR 間期、QT 間期和ST 段,其形態、電壓、時限都有正常范圍。 由于心電圖滿足活體個人身份識別的4 個基本條件,即普遍性、可攜帶性、唯一性和穩定性,因此可作為新的生物特征用于活體個人身份識別。

2.1 普遍性

心電圖具有無創、安全、綠色、操作簡單等優勢,在全世界范圍內得到了廣泛的應用和推廣,現已普及到門診、病房和健康體檢中,也成為心血管疾病患者的必查項目。 各級醫療單位都配備有心電圖機,在心電專業人員的操作下,隨時隨地都能采集到活體個人心電圖。

2.2 可攜帶性

隨著社會的發展、活動地域的擴大,人們出于工作、生活、旅游等原因遠赴世界各地。 當身體遇到不適或突發心臟疾病時,他們可通過已普及應用的民用心電圖儀描記心電圖并上傳網絡,借助后臺輔助診斷,也可前往當地醫療機構描記心電圖,以明確診斷并及時治療。 從這個意義上說,活體個人心電圖具有可攜帶性,無論人們身處何處,只要有心電圖機,就都能采集到心電圖。

2.3 唯一性

從理論上講,每個人只有一顆心臟,世界上沒有兩顆完全相同的心臟,而心電圖是心臟電活動的記錄,因此,每個人都應擁有自己特有的心電波形,表現出獨特的心臟電學特征,包含其自身的心電生物特征識別點,即心電圖具有唯一性。 每一個體從出生后到18 歲成年前,其心電波形盡管像人的容貌一樣變化較大,但成年后的心電波形相對穩定、基本不變。12、15 或18 導聯心電圖具有眾多特征點可供識別,正如利用基因短串聯重復序列位點的多態性進行身份識別一樣。

2.4 穩定性

同一活體個人在不同時間、不同溫度、不同地點、不同心率以及不同疾病情況下,心電圖可能會有振幅、時限以及個別波形的改變,但不影響身份識別,尤其是QRS 波形態基本保持不變,顯示了活體個人心電生物特征的穩定性[19]。 也就是說,每個活體個人心電圖QRS 波形態可作為身份識別的主要特征點和重要依據。

在人臉整形、損毀,或指紋損毀、指套造假等情況下,身份識別的準確性會受到影響。 DNA 檢查復雜、成本高、耗時長,如遇基因突變、同卵雙胎等情況,則無法進行身份識別。 心電生物特征識別技術具有成本低、操作便捷、不可造假、不可復制的優勢,可彌補上述生物特征識別技術的不足。 然而,該技術也有自身的局限性:當活體個人的正常竇性心律被室性心律所取代,或是心臟停止跳動時,無法進行身份識別。

3 心電生物特征識別技術的主要內容

心電生物特征識別技術是指利用心電圖機,通過活體個人體表描記心臟的每一心動周期,記錄電活動變化的生物特征波形并將其作為特征點進行身份識別和認證。 該技術的主要內容包括以下幾個方面:

(1) 規范使用的心電圖機必須符合國家或國際標準(盡可能使用數字化心電圖機,原始數據永久保存),采樣頻率成人0.05 ～150 Hz、兒童0.05 ～250 Hz[20]。

(2) 心電圖描記時,導聯連接位置要準確、固定,并確保多次檢查時位置一致。 操作人員應接受規范化培訓,避免導聯錯接及波形干擾;

(3) 將投保人參保前后兩次或多次采集的活體個人12、15 或18 導聯心電圖進行比對。

(4) 用字母及符號定性標記12、15 或18 導聯心電圖P-QRS-T-U 波的形態特征,并依照不同波形排序比對:如P 波直立,QRS 波呈qRs 型,ST 段正常,T 波直立,U 波顯現。

(5) 對12、15 或18 導聯心電圖P-QRS-T-U 波的形態特征進行定量分析:自Ⅰ導聯起,仔細觀察、記錄和比對各波段的電壓、時限、切跡、頓挫等。 若Ⅰ導聯波形描述相同,則觀察Ⅱ導聯;若Ⅱ導聯波形描述仍相同,則觀察Ⅲ導聯,依此類推,直至所有導聯全部分析完畢。 對各波可采取絕對法和相對法來描述。 絕對法:如波形≥0.5 mV,則用大寫字母標識,否則用小寫字母。 例如:某個導聯QRS 波呈qR型,則說明q 波＜0.5 mV,R 波＞0.5 mV。 相對法:兩個波形相比,振幅大者用大寫字母標識,振幅小者用小寫字母。 例如:某個導聯QRS 波的R 波、S 波均＞0.5 mV(或＜0.5 mV),則二者之中波形較大者就用大寫字母標識,反之用小寫字母。 后綴以具體的形態特征(如電壓、時限、雙峰、切跡、頓挫等)來描述。

(6) 通過兩次或多次心電圖比對,判定受檢心電圖是否出自同一人。

(7) 通過兩次或多次心電圖比對,判定受檢心電圖是否正常。

(8) 若兩份或多份心電圖波形有差別(可能系心電圖機參數不同所致),影響識別判斷,則可要求心電專業人員在熟知機器性能指標的基礎上,進行初步的定性分析并在允許誤差范圍內做定量分析,必要時(如有可能)需重新采集心電圖,以提高心電波形識別的準確性。

4 心電圖身份識別的特征點及其提取

4.1 國外研究情況

2001 年至今,國外開展心電圖身份識別研究以工科為主或醫工結合,多利用公開的心電圖數據庫,研究方法從早期的數學、信號學的比較到傳統機器學習模型方法,再到最近的深度學習方法,均證實了心電圖用于身份識別的可行性和可靠性。相關研究成果見表1。

表1 心電圖身份識別特征點及其提取的國外相關研究成果

4.2 國內研究情況

4.2.1 工科領域研究情況 2005 年至今,國內工科領域的研究者們對心電圖身份識別開展了一些研究,主要通過不同算法對心電信號進行特征點提取,有效提高了心電圖生物特征身份識別的準確率。 相關研究成果見表2。

表2 心電圖身份識別特征點及其提取的國內工科相關研究成果

4.2.2 醫科領域研究情況 1988 年,李中健教授等開展了心電圖身份識別的早期研究,并率先將相關研究成果應用于保險業。 此前國際上未見應用心電圖檢查技術進行活體個人身份識別的相關報道,因此,李中健教授也成為全球首位使用心電圖檢查技術識別活體個人身份的專家[42]。 早在2005、2006 年,李教授就分別培養了兩名心電圖身份識別方向的碩士研究生,并相繼提出以下學術觀點:①“心電波形唯一性”假說[3],并將該理念推廣至醫療保險卡應用領域[4,43];②每一個體12導聯心電圖的P-QRS-T-U 波包含其本人的心電波形特征[44](表3[4]);③在定性及定量分析中,可見每個活體個人的心電波形不完全相同[45];④在不同環境、季節、心率、時間、藥物等因素的影響下,同一活體個人心電圖QRS 波形仍相對穩定,基本不變[19];⑤不同地區、不同區域,成人非同一人心電波形無重復現象[46];⑥心電圖QRS 波波形高大、變化小且變異度小,適合作為計算機快速身份識別的指征[47]。 李中健教授團隊的相關研究成果見表4。

表3 一份同步12 導聯心電圖各波段

表4 心電圖身份識別特征點及其提取的國內醫科相關研究成果

5 心電圖身份識別在保險業的技術鑒定流程

心電圖身份識別應用于保險業的技術鑒定流程如圖1 所示。 在保險業客戶身份識別過程中,需要將投保人的樣本與檢材進行比對,其中,檢材是指投保人在投保前描記的12、15 或18 導聯心電圖,可從心電圖數據庫中提取;樣本是指投保人申請理賠時單次或多次描記的疾病心電圖。

圖1 心電圖身份識別應用于保險業的技術鑒定流程

投保人檢材和樣本主要比對以下幾個方面:

(1) 觀察檢材和樣本心電圖是否符合國家或國際標準,采樣頻率成人0.05 ～150 Hz、兒童0.05 ～250 Hz。

(2) 觀察導聯連接、安放位置是否正確,避免錯接及心電圖描記干擾現象。

(3) 觀察心電圖P-QRS-T-U 波群是否穩定、清晰可辨。

(4) 對兩次或多次采集的心電圖的形態、振幅、時限進行比對,并做定性和定量分析。 首先,定性標記12、15 或18 導聯心電圖上P-QRS-T-U 波的形態特征:用字母及符號記錄心電圖各波段的形態特征,依照不同波形排序比對。 其次,對定性描述的P-QRS-T-U 波形態特征進行定量分析:仔細比對樣本和檢材,自Ⅰ導聯仔細觀察和記錄各波段的電壓、時限、切跡、頓挫等,若Ⅰ導聯波形描述相同,則觀察Ⅱ導聯;若Ⅱ導聯波形描述仍相同,則觀察Ⅲ導聯,依此類推,直至所有導聯全部分析完畢。 對各波形可采取絕對法和相對法,按振幅大小分別以大小寫字母表示,后綴以具體的形態特征(如電壓、時限,雙峰、切跡、頓挫等)描述。

根據投保人樣本和檢材的比對結果,不僅可判定兩次或多次采集的心電圖是否來自同一人,而且可判定是否為同一人的疾病心電圖,明確樣本是否符合保險公司的疾病理賠標準。

6 未來展望

前期研究已充分證明,心電圖QRS 波形態具有良好的穩定性,這是心電圖身份識別的基石。 基于大型心電數據庫,充分利用心電圖的這一特性及計算機識別數字化心電生物特征,采用數字信號處理、逐級分類、模式識別等技術,研發個人身份識別軟件系統,實現快速個人身份識別,是心電生物特征識別技術的未來發展趨勢。 我們期待未來的身份識別由專家識別逐步過渡到普通人識別,由人眼識別逐步過渡到機器識別,更希望心電生物特征識別技術在保險業普及應用的基礎上,進一步拓展到醫保、銀行、司法、公安、部隊、政府等需要進行身份識別的部門和單位,以更好地促進社會穩定和維護國家安全。

主要執筆專家:聶連濤(鄭州大學第二附屬醫院),張昊(天津醫科大學第二醫院),井艷(鄭州大學第二附屬醫院),丁哲(河南省兒童醫院)

核心專家組成員(按姓氏拼音排序):陳康寅(天津醫科大學第二醫院),董建增(首都醫科大學附屬北京安貞醫院),簡立國(鄭州大學第二附屬醫院),劉桂芝(鄭州大學第一附屬醫院),盧喜烈(中國人民解放軍總醫院),李中健(鄭州大學第二附屬醫院),李世鋒(鄭州大學第二附屬醫院),劉彤(天津醫科大學第二醫院),張存泰(華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院)

專家委員會成員(按姓氏拼音排序):曹云山(甘肅省人民醫院),鄧國蘭(重慶醫科大學附屬第一醫院),谷云飛(鄭州大學附屬洛陽中心醫院),何濤(廣西醫科大學第一附屬醫院),賈邢倩(新疆維吾爾自治區人民醫院),李方潔(中國中醫科學院望京醫院),李國良(西安交通大學第一附屬醫院),李喬華(中南大學湘雅二醫院),李永健(天津市南開醫院),李忠杰(浙江省人民醫院),酈明芳(江蘇省人民醫院),牛向東(鄭州大學第五附屬醫院),邵虹(空軍軍醫大學西京醫院),沈燈(上海市中醫藥大學附屬普陀醫院),蘇曉靈(青海省人民醫院),王紅宇(山西醫科大學第二醫院),王宏治(四川大學華西醫院),王林(天津市胸科醫院),王巍(鄭州大學第三附屬醫院),王新康(福建省立醫院),邢適穎(河南科技大學第一附屬醫院),楊紅艷(湘南學院心腦血管病研究所),楊曙艷(河南省胸科醫院),楊曉云(華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院),尹德春(哈爾濱醫科大學附屬第一醫院),張麗娟(廈門大學附屬第一醫院)