沈祖望／威斯康辛大學生物醫學工程博士，曾獲選史丹福臺灣醫療人才培訓，常進行跨領域研究，積極參與醫療設計之相關議題。

根據國外科技研究中心（Interstate Technology & Regulatory Council, ITRC）的報告，越來越多的身分竊取犯罪案件，像是 ID 被偷取、帳戶被盜、密碼遭竊等，所以資訊安全是現代人很重要的課題。根據統計，世界上平均每 4.3 秒鐘就有人的身分被他人盜用，目前最常用的資訊保全方法是利用密碼保護，但是密碼容易被人破解、盜用或是不小心遺忘，而生物辨識就是可以取代密碼，提供更方便、更安全、不會遺忘的解決方案。

生物辨識是利用人體的特徵去做身分的辨認，尋找每個人不一樣特徵元素，利用自身的特殊指標來分辨個人。所謂的人體特徵可以包含簽名、動作行為、生理特徵、影像特徵和基因序列等，而常用的生物辨識包含行走的步態、聲紋、臉部特徵、臉部表情、指紋、掌紋、血管紋路、虹膜、眼底視網膜和 DNA 等辨識。用此方法辨認身分，其安全性與便利性會勝過以前只靠密碼的資訊系統，而且科學家還在積極繼續尋找更佳的生物辨識元素，讓生物辨識技術更加多元與成熟，而心電圖身分辨認就是一種新的生物辨識元素。

什麼是心電圖？

心電圖是心臟傳導系統在進行離子交換時，帶動整個心臟肌肉纖維而產生運動，進而發出微弱的神經電生理訊號，此微弱的訊號會擴散至全身，若將心電圖記錄器的電極連接到身上不同的部位，就可描繪出「心電圖」，是今日心臟科醫生很重要的診斷指標。

心臟中的單一細胞有律動的特性，進而形成整個心臟產生整體律動。埃因托芬（Willem Einthoven）發現一個以非侵入式的方式觀察心臟器官的方法，是運用埃因托芬三角形，將心臟的電偶包在三導程形成的向量三角形中，以不同的投影方向來觀察心臟組織是否正常。埃因托芬把心電圖中的一系列波分別命名為 P 波、Q 波、R 波、S 波和 T 波，並且描述了一些心血管系統疾病的心電圖特點。其中P波為竇房結啟動的點，代表心房去極化（心房收縮）；QRS 為心室去極化（心室收縮）；而 T 波為心室再極化（心室舒張）現象。他於 1924 年榮獲諾貝爾醫學與生理學獎，由此可見心電圖對醫療上產生了極大的貢獻。醫師可以用心電圖從不同的面向、方向去判斷心臟到底哪裡出了問題，面向越多越能精確定位病灶所在，故從一開始的三導程，進展至十二導程。十二導程包含有極性的六個導程，在加上六個單電極的導程（V1、V2～V6）所形成，在胸口前將心臟圍繞起來，成為一個完整的檢查。心電圖檢查十分安全，不會傷害人體，包含孕婦與胎兒都可以進行心電圖量測。

目前來說，心電圖最常被使用在醫療與健康照護上，而心電圖記錄的方法是用導電電極接到身上，形成迴路，描出心電圖，它是一種微弱的電壓訊號，心電圖的波形大約是 1 毫伏（millivolt, mv），也就是 10^-6 伏特（volt）。然後藉由放大器把它放大，放大至大約 1,000 倍後讓電路可以讀到這種自體微量的電生理訊號，再運用訊號處理技術，可以計算心跳次數與解析不正常心跳。在醫療診斷上，由於每個人一日心電圖總量相當龐大，且型態上都有或多或少的差異，對醫師工作量是相當的負擔，所以醫療上的發展趨勢，是運用人工智慧或是機器學習技術輔助醫師診斷。

從醫療化作身分辨識

心電圖從原來醫療用途化作身分辨識之用，是大約在 1996 年才開始進行相關的研究。一開始大家並不認為心電圖是一個生物辨識的元素，主要原因是覺得心電圖會隨著生理狀態不同而產生變化，而心跳快慢變化與心律不整等不確定因素，會讓心電圖成為身分辨識的元素有所疑慮。但是隨著研究持續的發現，證明心電圖生物辨識的獨特性、與時間上的持續性。心電圖生物辨識優點很多，正常人心電圖受心臟的位置、大小、解剖結構影響，此外，性別、胸部形態、以及整個胸腔結構讓心電圖有特異性，難以被仿造。對比於有些生物辨識可能在實務操作時會被破解，例如虹膜辨識可以藉由隱形眼鏡改變，臉部辨識可以被照片或 3D 列印所取代，指紋也可以被矽膠所複製，同卵的孿生兄弟姊妹具有相同的 DNA，所以複合式的生物辨識會是未來的主流。而心電圖扮演活體測試的角色，就算是 DNA 相同的人，其心電圖波形仍不相同，所以它是確認活人受測的重要元素。

▲心電圖不僅可以做醫療診斷還可以作為身分辨認之用。

心電圖辨識總括來說，有以下優點：❶心電圖是一個電訊號，無法被肉眼所看見，故當被辨識者離開辨識系統時，訊號不見了，不會遺留訊息給其他人竊取，或用照相的方式破解；❷心電圖是一個活體測試必要的元素，也就是當被辨識者活著時後才有心跳、才能被測試，讓生物辨識適用所有族群，其中包含身體有缺損的族群，通用性高。❸統計指出，心電圖辨識的特徵與身高、體重、BMI 只有低度相關，有其穩定性與特異性。❹心電圖是醫療記錄裡存在的元素，很適合醫療資訊加密與居家照護之用。❺心電圖有高度整合性，可以與其他身分辨識合併使用，在兩隻手上任意取點就能量測，不需要脫衣服量測，有其易用性。

心電圖跟脈搏波是完全不相同的，脈搏波最常見於智慧手錶，在手錶後面運用光線照射血管，由於血管在跳動時產生厚度形變，因此對光線產生不同的吸收量，藉此偵測血流造成的血管搏動變化，可以用於計算心跳數與心電圖為電生理訊號，其產生之原理與醫療上診斷意義均不相同。心臟在律動時，會產生出這兩種生理訊號，但不是同時發生，是有先後順序。心電圖可同步反映心臟收縮循環，而脈搏波為血液透過體循環，循環至量測點的血管律動情況，故本身也包含血管的特性、彈性與血壓的複合表現，與心電圖比較是彼此不同步的。一般來說，具有測量心跳的功能的智慧型手錶，有可能是運用光線量血管的脈搏，也可能藉由同時碰觸左右手而量出心電圖，其原因是心電圖的量測是要形成迴路，唯有迴圈才能形成電流。故心臟就如同人體電池，沒接上迴路是沒有電流的，不能量出心電圖。

心律不整或運動後

當使用者有心律不整問題或因為運動而心跳加速的情況下，其心電圖是否依然能辨別身分呢？答案是肯定的。診斷疾病用的心電圖特徵，與身分辨識所用的心電圖特徵並不相同，心電圖身分辨識所用的特徵必須保持一致性與可連續被量測性，例如 QRS 複合波相對於其他心電圖部分，能在心跳速率改變時，提供更加穩定的觀察元素。在醫學上，一個人若患有心律不整疾病時，並非所有的心跳都是心律不整的波形，仍然有很多正常的心跳，辨識時可以將正常與不正常的心跳同時考慮，就能讓身分辨認順利進行。此外，一般心臟支架手術也並不影響其身分辨識。

▲不同的人擁有不同的心電圖模式。

另一方面，心跳速率隨運動改變的問題，在最近科學家已經找到方法並逐步解決，所以有越來越多心跳的修正法出來，讓心電圖身分辨識更貼近市場用戶，例如運用波形斜率的修正法、混沌理論的修正法和三角函數投影法等，可以讓正常運動下的心電圖仍能正確辨識身分，可以預期的是，科技會繼續突破下去，並提高現有的系統辨識度與加快辨識時間。

▲不同心率會造成心電圖些許的差異。

在生理學上，心臟竇房結會受交感神經和副交感神經調控，心電圖生物辨識更可以搭配心率變異（heart rate variability, HRV），在辨認身分時，能夠分析出使用者的情緒與生理狀況。心率變異是運用心跳節律的變異性，計算出交感神經和副交感神經興奮情況與其調控機制，這讓心電圖身分辨識的應用範圍更加的廣泛。上述的架構也能應用在手機上，未來量心電圖可以像講電話這麼自然，利用手機上的心電圖傳感器就能辨識，並分辨使用者的情緒，讓科技更貼近人性。

由於人們渴望使用更便利的身分辨認方法，所以生物辨識必定是未來的發展趨勢。而每單一的身分辨識元素都有其侷限性，所以未來預計會朝向複合式的身分辨識元素發展，複合越多元素將會提高安全性，避免偏差，使不確定的影響因素慢慢下降。且複合式的身分辨識的元素可以互補其缺點，搭配活體檢測以杜絕新層次的犯罪模式，因此複合式的身分辨識系統是未來的趨勢，在物聯網的時代中，可以帶給使用者最大的便利性，並同時保全個人的隱私。

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