创新技术方案有望实现“随时随地”监测血压

        □摘編自國家藥監局醫療器械注冊管理司、中國生物醫學(xué)工程學(xué)會(huì )編印的《醫療器械科技前沿》2023第4期 梁永波 崔謀 葛文竣 陳洪波 陳真誠

        血壓是人體循環(huán)系統中重要的生理指標，對血壓進(jìn)行日常測量、提高居民對高血壓的知曉率和處置率，是降低高血壓、心臟病發(fā)病率的有效手段。然而，傳統血壓測量設備在使用時(shí)存在諸多限制，如電子血壓計需要佩戴袖帶、醫院環(huán)境檢測血壓時(shí)存在顯著(zhù)的“白大褂現象”等。為了克服其局限性，滿(mǎn)足日常場(chǎng)景下監測需求，研究人員開(kāi)展了一系列無(wú)袖帶血壓測量技術(shù)研究。新技術(shù)的不斷涌現，為人們提供了更便捷、舒適、連續監測血壓的全新體驗，有望改善血壓監測的效果和便利性。

        隨著(zhù)可穿戴技術(shù)的發(fā)展，多種生理信號已實(shí)現了穿戴式檢測，包括心電（ECG）、脈搏波（PPG）、體溫、呼吸等信號，為無(wú)袖帶血壓測量的技術(shù)實(shí)現提供了產(chǎn)業(yè)基礎。近年來(lái)，穿戴式無(wú)袖帶血壓測量研究呈現高速發(fā)展態(tài)勢，大量新的技術(shù)方案不斷涌現。下面對傳統血壓測量技術(shù)、基于多信號的無(wú)袖帶血壓測量技術(shù)、基于單信號的無(wú)袖帶血壓測量技術(shù)以及各項新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

        傳統血壓測量技術(shù)

        示波法是一種常見(jiàn)的非侵入性的血壓測量方法。當心臟收縮時(shí)，血液被推入主動(dòng)脈，使得主動(dòng)脈內的壓力升高，形成收縮壓；心臟舒張時(shí)，主動(dòng)脈內的壓力下降，形成舒張壓。這個(gè)過(guò)程是由心臟的收縮和舒張周期性地重復進(jìn)行的。示波法是通過(guò)袖帶中的氣壓變化來(lái)測量血壓。電子血壓計內置了壓力傳感器，可以感知氣囊內部的壓力變化，當氣囊內部的壓力逐漸增加時(shí)，壓力傳感器會(huì )將這些數據傳輸到電子血壓計的控制芯片中，電子血壓計的控制芯片可以根據傳感器測量到的壓力數據，計算出被測者的血壓值，并將結果顯示在數字顯示屏上。

        電子血壓計經(jīng)過(guò)近幾十年的快速發(fā)展，在臨床和家庭中得到了較為廣泛的應用。但由于袖帶式測量的諸多不便以及顯著(zhù)的“白大褂現象”，電子血壓計的實(shí)際普及率仍不是很高。

        針對傳統袖帶式血壓測量存在的問(wèn)題，研究者將氣囊微型化并與穿戴式融合設計，成功實(shí)現了智能手表微氣囊式血壓測量，在測量精度與穿戴式體驗上均取得了顯著(zhù)提升，受到了市場(chǎng)普遍歡迎。

        氣囊式智能手表血壓測量產(chǎn)品的測量原理與傳統血壓測量方法相似，在手表上裝備了微氣囊和壓力傳感器，通過(guò)手表上的壓力傳感器感知充氣和放氣過(guò)程中微氣囊內部壓力的變化，手表上的處理器將根據壓力傳感器的數據進(jìn)行計算得到血壓值。該產(chǎn)品成功地將尺寸較大、不方便隨身攜帶的傳統血壓計實(shí)現了微型化，提供了更加舒適、便捷的日常血壓測量方式。然而，由于袖帶氣囊存在間斷式測量、功耗高等問(wèn)題，以及產(chǎn)品價(jià)格、操作體驗等方面原因，在更大范圍推廣應用仍存在一定困難。

        基于多信號的無(wú)袖帶血壓測量技術(shù)

        為了解決傳統血壓測量技術(shù)存在的局限和問(wèn)題，尋求具有高準確性的無(wú)袖帶血壓測量技術(shù)，研究者們將目光投向了基于ECG與PPG等多信號的測量方案，通過(guò)ECG和PPG信號傳播過(guò)程中，脈搏波傳導時(shí)間與血壓具有相關(guān)性的原理，建立數學(xué)模型，實(shí)現無(wú)袖帶血壓測量。

        從心臟激動(dòng)產(chǎn)生的ECG信號開(kāi)始至血液傳輸到身體末端獲得PPG信號，這段時(shí)間被稱(chēng)為脈搏到達時(shí)間（PAT）。PAT可以表示為血液從心臟泵出到傳輸至外周位置所需的時(shí)間，一般來(lái)說(shuō)，以ECG信號R波峰位置為起始標志。研究表明，PAT與血壓存在顯著(zhù)的相關(guān)性，這一發(fā)現為無(wú)袖帶血壓測量提供了重要理論基礎。

        Yoon Y-Z等人研究了脈搏波分析（PWA）與血壓（BP）之間的關(guān)系，認為該方法雖然具有一定的挑戰性，但PWA-BP模型通過(guò)PAT衍生信息進(jìn)行連續無(wú)袖帶血壓測量是可行的。Tang Z等人開(kāi)發(fā)了一種血壓預測系統，將ECG和PPG傳感器安裝在扶手椅上，通過(guò)提取PAT進(jìn)行血壓測量，但在測量過(guò)程中獲得的舒張壓值較低。LiJ-Q等人比較了使用水銀血壓計、電子袖帶血壓計和由ECG-PPG方法測量的估計血壓。結果表明，基于PAT的血壓預測模型通過(guò)了AAMI標準，準確率提高了58%，與兩種血壓計相比，收縮壓（SBP）和舒張壓（DBP）的預測性能分別為3±2.5mmHg和4±3mmHg。

        除了采用ECG信號和PPG信號進(jìn)行多信號無(wú)袖帶血壓測量外，也有很多研究者基于脈搏傳導時(shí)間理論，采用心沖擊信號（BCG）、多點(diǎn)位PPG信號等多生理信號實(shí)現一定距離下信號傳輸時(shí)間（PTT）的計算，實(shí)現了無(wú)袖帶血壓測量。

        PTT可定義為使用ECG-PPG或雙PPG傳感器產(chǎn)生的脈沖信號沿動(dòng)脈到達兩個(gè)測量點(diǎn)之間的時(shí)間延遲。Block R C等人比較了使用ECG和PPG傳感器、在六個(gè)不同測量位置對32名受試者測量的PTT波形，并用袖帶血壓計驗證了每個(gè)血壓值。因為PPG信號的檢測能力較差，所以與袖帶血壓計相比，基于PTT的測量結果預測血壓的相關(guān)性較低。Miao F等人使用基于多傳感器平臺的融合模型估算85名志愿者的血壓。該平臺由ECG和其他類(lèi)型的傳感器組成，在經(jīng)常使用袖帶血壓進(jìn)行校準的情況下，該方法能獲得更好的預測準確性。

        基于多信號的無(wú)袖帶血壓測量技術(shù)方案中，對ECG、PPG、BCG等多生理信號的依賴(lài)較大，且檢測過(guò)程中所需面臨的各類(lèi)噪聲擾動(dòng)較強，一定程度上限制了這一技術(shù)方案的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。不過(guò)，隨著(zhù)各類(lèi)脈搏波數字化特征解析與人工智能技術(shù)的發(fā)展，各類(lèi)個(gè)體差異性問(wèn)題、噪聲擾動(dòng)問(wèn)題、操作時(shí)接觸壓力不均等問(wèn)題，正被研究者通過(guò)各類(lèi)新模型不斷解決。

        Miao F等人提出了一種結合數據挖掘技術(shù)和傳統回歸模型的連續血壓測量方法，同步從ECG、PPG信號提取14個(gè)特征，采用多元線(xiàn)性回歸和支持向量回歸來(lái)建立血壓模型，在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能表現上均優(yōu)于單純基于PTT的模型。U.Gandhi等人將ECG信號和PPG信號的時(shí)域特征整合在一起，使用遺傳算法推導出最佳特征集，并分析ECG特征和血壓之間的相關(guān)性。樊海霞等人融合ECG、PPG、心率及個(gè)體特征參數，提出了一種基于主成分分析和遺傳算法優(yōu)化支持向量機學(xué)習模型預測血壓的方法。這一方法可以比傳統支持向量機學(xué)習法準確度提高10%~15%。Bin Sun等人同樣將人體特征參數作為血壓預測模型的輸入，并且對比支持向量機和隨機森林模型，發(fā)現在同等條件下隨機森林模型具有更加優(yōu)異的性能。

        與基于機器學(xué)習的傳統血壓測量方法相比，深度學(xué)習模型可以通過(guò)學(xué)習大量的數據來(lái)自動(dòng)提取和學(xué)習特征，不需要人工設計和選擇特征，并且能夠處理非線(xiàn)性關(guān)系，更好地捕捉和建模復雜的血壓測量模式。同時(shí)，深度學(xué)習模型具有較強的泛化能力，能夠適應不同的數據和不同的測量環(huán)境，通過(guò)端到端的方式進(jìn)行訓練和推斷，簡(jiǎn)化了算法的設計和實(shí)現。Lee D等人于2021年提出了一種雙向LSTM網(wǎng)絡(luò )，其中包含從PPG中提取的7個(gè)預定特征。研究結果表明，SBP和DBP的均方根誤差分別為6.82mmHg和6.06mmHg。潘睿等人提出一種基于PPG信號與ECG信號的多傳感器信號特征提取及融合的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )血壓預測模型，通過(guò)對經(jīng)過(guò)預處理的信號以基于問(wèn)答推理機制設計的GRU Attention網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行特征融合來(lái)實(shí)現對動(dòng)脈血壓的預測。

        當前，隨著(zhù)穿戴式設備中生理傳感器、高速處理器、低功耗控制等技術(shù)的發(fā)展，多信號的穿戴式設計已成功實(shí)現產(chǎn)業(yè)轉化，具備ECG、PPG等檢測功能的穿戴式智能手表健康設備不斷涌現。隨著(zhù)影響血壓測量精度的各類(lèi)工程問(wèn)題被不斷解決，相信在不久的將來(lái)會(huì )看到越來(lái)越多的無(wú)袖帶血壓產(chǎn)品獲批上市。

（摘自中國醫藥報）