可穿戴連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)測(cè)量原理分析

高血壓是一種大幅提高心血管患病風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重慢性疾病，是全球過(guò)早死亡的重要原因之一。數(shù)據(jù)顯示，全球30-79歲的高血壓患者人數(shù)已達(dá)12.8億，其中約有一半的患者并不知道自己患有高血壓。

因此，及時(shí)檢測(cè)血壓并預(yù)防心血管疾病，對(duì)人類健康具有重要意義。并且，迫切需要一種能夠在日常家庭護(hù)理中進(jìn)行連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)的可穿戴設(shè)備，這類產(chǎn)品的市場(chǎng)需求巨大。

血壓是循環(huán)血液對(duì)血管壁產(chǎn)生的壓力。人們對(duì)血壓測(cè)量的認(rèn)知大都還停留在傳統(tǒng)的方法，即通過(guò)手動(dòng)聽診或示波技術(shù)（在醫(yī)療環(huán)境或家中）獲取血壓讀數(shù)。

這種血壓測(cè)量對(duì)于廣泛的人群基礎(chǔ)具有巨大價(jià)值，但對(duì)個(gè)體的血壓評(píng)估容易受到各種因素的影響，例如檢測(cè)人員的技術(shù)、“白大褂”效應(yīng)（即在醫(yī)療環(huán)境中血壓評(píng)估的的短暫變異性）以及血壓本身的可變性等。

因此，為了改進(jìn)血壓測(cè)量，業(yè)界開發(fā)了動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)方法。現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)儀使用了示波技術(shù)。這些體積較大的監(jiān)測(cè)器通常佩戴在皮帶上或口袋中，通過(guò)塑料管連接上臂的袖帶。監(jiān)測(cè)器每一刻鐘或半小時(shí)讀取一次讀數(shù)。動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)可以評(píng)估真實(shí)或平均血壓、血壓的晝夜節(jié)律和血壓變異性。然而，它并不能提供連續(xù)的血壓測(cè)量。沒有連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)，就無(wú)法獲取日常身心活動(dòng)的動(dòng)態(tài)血壓響應(yīng)。

因此，連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)吸引了廣泛的關(guān)注，并獲得了深入研究。目前，容積鉗制和眼壓測(cè)量是連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)的兩種常規(guī)技術(shù)。然而，它們需要持續(xù)對(duì)皮膚施加壓力，長(zhǎng)期使用可能會(huì)引起不適。例如，容積鉗制需要將設(shè)備一直佩戴在手指上，造成不便。此外，眼壓測(cè)量對(duì)運(yùn)動(dòng)偽影較敏感，需要頻繁校準(zhǔn)。

為了解決現(xiàn)有連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)方法存在的問(wèn)題，已有研究提出了一些解決方法，包括脈搏傳導(dǎo)時(shí)間（PTT）、脈搏到達(dá)時(shí)間（PAT）、脈搏波速度（PWV）、脈搏波分析（PWA）、面部視頻法和超聲波法等。PWV方法是指心臟每次搏動(dòng)射血產(chǎn)生的沿大動(dòng)脈壁傳播的壓力波傳導(dǎo)速度，是動(dòng)脈壁擴(kuò)張、回縮產(chǎn)生脈搏由近心端向遠(yuǎn)心端傳導(dǎo)的速度?，PWV?=?L/PTT，其中L是近端和遠(yuǎn)端之間的距離。當(dāng)血壓升高時(shí)，血管張力增加，動(dòng)脈壁變硬，導(dǎo)致PTT縮短。相反，當(dāng)血壓下降時(shí)，血管張力降低，動(dòng)脈壁變得不那么僵硬，PTT增加。

通過(guò)校準(zhǔn)程序，可以使用適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛯y(cè)量的PTT轉(zhuǎn)換為動(dòng)脈壓。近端波形可以通過(guò)光體積描記術(shù)（PPG）、壓力傳感器、心電圖（ICG）、沖擊心電圖（BCG）、地震心電圖（SCG）等來(lái)測(cè)量。當(dāng)使用心電圖（ECG）來(lái)獲得近端波形的替代時(shí)，該方法被稱為PAT。PWA包括從動(dòng)脈波形中提取特征，并通過(guò)校準(zhǔn)模型將其映射到血壓?jiǎn)卧WA比PTT方法更方便，只需要單個(gè)傳感器，并且它可以與PTT結(jié)合以提高其準(zhǔn)確性。

得益于機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的普及，PWA方法越來(lái)越受到關(guān)注。然而，PTT、PAT、PWV和PWA是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，在不同個(gè)體之間的通用性較差，需要頻繁對(duì)特定受試者進(jìn)行校準(zhǔn)。面部視頻方法利用面部視頻來(lái)提取動(dòng)脈波形特征，并使用PWA或PTT來(lái)估算血壓。超聲波方法記錄的是脈動(dòng)血管的直徑，但需要用袖帶血壓計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

上述現(xiàn)有的連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)方法都存在普遍的瓶頸問(wèn)題，即不同個(gè)體、不同佩戴方式之間的通用性較差。血壓測(cè)量通常需要在受試者特定校準(zhǔn)后進(jìn)行評(píng)估。鮮有可穿戴方法能夠在一般人群新受試者進(jìn)行連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)中達(dá)到AAMI標(biāo)準(zhǔn)（平均誤差ME?

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，清華大學(xué)精密儀器系朱榮教授課題組提出了一種新的血壓測(cè)量方法，并開發(fā)了一種由雙PPG傳感器和定制接口傳感器組成的雙邊測(cè)量智能手表。這款可穿戴設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)，在新受試者和不同佩戴條件下具有良好的通用性，無(wú)需依賴受試者的特定校準(zhǔn)。該可穿戴設(shè)備利用佩戴在手腕正反兩側(cè)的雙PPG傳感器來(lái)檢測(cè)心輸出量和脈搏波形特征，并利用接口傳感器來(lái)檢測(cè)佩戴壓力和皮膚溫度。

然后利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)檢測(cè)獲得的多通道信號(hào)進(jìn)行融合，以實(shí)時(shí)評(píng)估佩戴者的連續(xù)血壓。手腕上的雙PPG傳感器可以消除因不同人或不同佩戴條件引起的PPG信號(hào)的個(gè)體差異，從而增強(qiáng)血壓測(cè)量的個(gè)體通用性。同時(shí)檢測(cè)到的接觸壓力和皮膚溫度，可以進(jìn)一步增強(qiáng)血壓測(cè)量的普適性。

本研究所提出的可穿戴設(shè)備及其測(cè)量原理

特征提取和數(shù)據(jù)融合

與其它方法相比，該方法具有更好的測(cè)量精度和良好的通用性。得益于簡(jiǎn)單的手表設(shè)計(jì)和低計(jì)算負(fù)載，這種可穿戴設(shè)備為連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)提供了可行的解決方案，大大提高了患者病情惡化的早期發(fā)現(xiàn)潛力。

未來(lái)，研究人員計(jì)劃從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步改進(jìn)這款可穿戴設(shè)備：在傳感器系統(tǒng)方面，將進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高與皮膚的貼合性，消除PPG傳感器的環(huán)境干擾；在算法性能方面，將進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化提取特征的數(shù)據(jù)融合算法，以提高DBP的評(píng)估精度；此外，還將考量人體運(yùn)動(dòng)和出汗等特定應(yīng)用場(chǎng)景。

編輯：黃飛