有創血壓測量技術的研究進展

余立君，黃振，王兢業，羅宏

襄陽市中心醫院（湖北文理學院附屬醫院）， 湖北 襄陽 441021

有創血壓測量技術的研究進展

余立君，黃振，王兢業，羅宏

襄陽市中心醫院（湖北文理學院附屬醫院）， 湖北 襄陽 441021

本文闡述了有創血壓測量的實現過程、優點和測量的影響因素，綜述了有創血壓測量技術及其裝置（包括有創血壓監護儀和傳感器）的研究進展，并對植入式測壓裝置和降壓裝置的臨床試驗前景進行了展望。

有創血壓測量；監護儀；壓力傳感器

血壓測量是評估血壓水平、診斷高血壓以及觀察降壓療效的主要手段[1]，在臨床診斷和家庭保健中越來越重要。目前有多種方法來測定血壓波形和血壓值，但按技術常分為無創和有創兩大類。無創法是一種基于心音、壓力、血流量、時間和頻率5種間接參數測量血壓的方法[2]，通過袖帶、指套、體表壓力或超聲傳感器提取動脈管壁脈搏振動、血管容積變化等信號，利用柯氏音或特定的算法（示波法、容積法、脈搏波法、超聲法或其他改良方法）測量血壓。有創法又稱直接測量法，是將經體表插入的各種導管或壓力傳感器放置于心腔、動靜脈血管內從而直接測量血壓的方法。有創法具有響應時間快、結果準確、抗干擾強和應用范圍廣泛等特點，被國際學術界認定為血壓監測的金標準[3]。

1 有創血壓測量的實現

有創血壓（Invasive Blood Pressure，IBP）測量的實現過程主要包括：① 信號傳遞通道的建立；② 傳感器與信號的連接；③ 信號放大與壓力波形的數字化處理（包括濾波、特征識別與參數計算）；④ 測量參數和壓力波形的動態顯示與存儲。

首先在患者的測量部位建立直接的通道，將導管、植入式無線壓力傳感器裝置或皮下包埋的體內控制器經微電纜連接的傳感器置于心臟或動靜脈血管內，前者借助液體連通將血壓傳遞到外部的壓力傳感器上，有創血壓電纜將壓電信號傳輸到多道生理記錄儀或帶有創血壓模塊的監護儀中，然后通過無線射頻技術將測量的數據、壓力波形傳輸到體外的接收控制裝置，計算出相關的參數值。

有創動脈波形反映了心肌的收縮力、動脈彈性、瓣膜情況、心輸出量、血容量等重要信息。一般情況下，有創法測得的收縮壓比無創法要高，測得的舒張壓比無創法要低[4]。有創法可實時、準確、動態地獲取心血管血壓的變化，在急救、心血管手術和重癥監護病房得到了廣泛的應用。此外，生命科學研究中常用有創血壓驗證電子血壓計特征參數提取、軟件算法的準確性[5]，評價新型設備測量技術的有效性[6]。

2 有創動脈血壓測量的優點

無創血壓（Non-Invasive Blood Pressure，NIBP）測量具有局限性，多種因素均可影響血壓測量的準確性，在運動后或低灌注情況下可能測不準或測不出，改進后的NIBP測量方法也無法達到IBP的測量精度[7]。而IBP除測量準確外，還具有以下優勢：① 監測數據全面，不僅可測量多部位動脈血壓，還可測量中心靜脈壓、肺動脈楔壓、左房壓、顱內壓等10余項生理參數；② 連續動態測量，可獲得連續的動脈血壓波形和動態的數值變化，能及時發現危急重病患者的病情變化，是圍手術期血流動力學監測的主要手段；③ 指導搶救，在嚴重燒傷病人休克期時，可通過有創法測量中心靜脈壓和肺動脈楔壓，防止輸液過多導致心臟前負荷過度，對液體復蘇多指標的監測具有重要意義。IBP測量可以指導心肺復蘇的按壓深度和頻率，不僅可控制按壓效果，還可以評價復跳后的心臟功能，提高心肺復蘇搶救成功率。

3 IBP測量的影響因素

IBP測量精度取決于傳感器和監護儀的精度，影響IBP測量結果的的外部因素較少，僅與測量部位、系統校零、導管口方向、測壓裝置校驗等有關[8]。為確保測量的準確性，保證動脈測壓系統的穩定性、靈敏性、線性和適當的頻率反應，在監測的過程中應規范操作，并對一次性壓力傳感器進行有效的管理，注意傳感器和測壓裝置的諧頻率和阻尼系數的匹配，使用充液導管測量動脈壓。因阻尼過大和衰減造成不太理想的血壓波形[9]，可通過沖洗排氣和校零解決。

4 有創血壓測量技術的發展

監護儀和傳感器技術的發展促進了有創血壓測量技術的發展。當前，監護儀向著模塊化、專業化、智能化以及信息網絡化等方向發展，而傳感器向著微小型化、集成化、智能化、網絡化、微功耗及無源化方向發展，無線遙測、射頻充電技術已用于IBP測量和高血壓治療試驗中。

4.1 有創監護技術的發展

有創監護技術的發展體現在：

（1）生命信息的全方位監測。監護技術已擴展到血流動力學、麻醉深度、特殊麻醉氣體、顱內壓、胃黏膜pH值、經皮血氣生化分析、除顫、母嬰安全等生命信息的全方位監測，擴展了監護儀的臨床應用范圍。

（2）向專科化方向發展。功能模塊和軟件包可靈活配置，分別用于重癥醫學、心腦血管、母嬰分娩、新生兒、麻醉手術、除顫監護、呼吸睡眠、運動醫學等專科，為患者提供個性化監測以輔助診斷。

（3）監護設備軟硬件的升級創新。算法及分析技術的優化，以及抗運動和低灌注功能的增強，使得測量響應速度更快；基于容積脈搏波的逆向式無創血壓測量技術以及數字式血氧測量技術的應用，提高了參數測量的舒適性和準確性；柔薄質輕的壓電薄膜和薄膜線纜開始替代傳統元件，已應用于呼吸熱電監測、睡眠監護床、航天員健康監測等領域[10]；醫用監護儀正逐步實現微型化、便攜化、甚至可穿戴化[11]，以適應野外、戰地以及院內院外病人轉運、航天醫學和家庭監測的需求。

（4）有創血壓模塊研究。有創血壓模塊支持2～8通道有創血壓測量，插件式血壓模塊多采用光電隔離技術，保證了測量的安全和精度。葉繼倫等[12]認為，若要改進測量的準確性和及時性，需加強對各種類型的壓力特征波形的自動準確識別，進而準確識別收縮壓和舒張壓，設置合理的響應時間，準確分析壓力變化趨勢。

（5）逐步實現網絡中央監護、遠程監護和家庭監護。監護儀與云計算技術相結合，可方便醫院信息系統調閱患者信息，并與其他具有云計算功能的醫療設備組成新的醫療系統[13]，甚至可把其他設備中的圖像整合到監護儀上。監護儀、中央監護系統與臨床信息系統（Clinical Information System，CIS）的信息共享與整合[14]，可對全天數據進行智能匯總，自動生成醫療護理單、麻醉記錄單，提升了電子病歷系統的自動化水平?；跀底譄o線網絡通訊技術（3G、4G、WiFi、WiMAX(802.16)）的移動監護技術的應用，徹底打破了床旁監護設備與中央臺的距離限制，實現了病人院前急救、院內轉運中的連續監護，監護終端在病區的任意移動、隨時隨地的數據共享，方便了遠程監護和遠程會診，促進了家庭監護的應用和發展。

總之，監護儀正逐步朝著智能化和多功能化方向發展[15]，其研究方向是發展集成化、舒適化、方便化、穿戴式、非侵入性健康信息監測技術，完善生理信息連續監測方法，提高生理信息抗運動干擾的能力[16]。

4.2 醫用壓力傳感器技術的發展

壓力傳感器在生物醫學方面應用廣泛。人體血壓、顱內壓、肺部壓力、膀胱和尿道壓力以及血流狀況的測量，都需要微型、精確、耐用、可靠、對人體無害的壓力傳感器。一般選用醫用級聚氯乙烯、聚碳酸脂作為體外醫用壓力傳感器的測壓連接管和主體的材料。常用的醫用壓力傳感器有NPC、ICS系列、M4415、MPX2300DTI、Model1620（1630）、OPP-M、FOP-M等。

隨著制作技術的成熟和器件性能的不斷提高，傳感器正朝著短、小、輕、薄的方向發展，從分立式元件向單片集成化、智能化、網絡化、系統化的方向發展[17]。

（1）單片集成化。微機電系統（Micro Electro Mechanical System，MEMS）采用硅加工、LIGA加工等工藝，將壓敏元件、電橋線路、前置放大器、A/D轉換器、微處理機、接口電路、存儲器等分層加工制作在一個硅單元器件或芯片上，形成微小型化的測量和控制系統。

（2）微小型化。微結構傳感器的敏感元件尺寸為微米級，封裝后的尺寸大多小于毫米級。微型壓力傳感器已經可以小到能放在注射器內，通過注入血管進行血液流動情況的監測[18]。2011年美國密歇根大學丹尼斯?西爾維斯特教授研制了大小只有1 mm3的植入式眼壓監測計算機，其包括微型處理器、壓力傳感器、記憶卡、太陽能電池、太陽能蓄電池和無線收發裝置等。

（3）智能化。智能化傳感器就是將傳感器獲取信息的基本功能與專用的微處理器的信息分析、處理功能緊密結合在一起，并具有診斷、數字雙向通信等新功能的傳感器[19]。在外科手術領域，將封裝尺寸極小（一般為0.4 mm）的MEMS傳感器整合到內窺鏡手術器械內部，增加其觸覺功能，可幫助醫生監測和控制手術中的穿孔和穿刺力，提高手術的準確性。

（4）微功耗及無源化。微功耗、無源化將提高系統壽命，是傳感器的必然發展方向。

（5）網絡化。新一代智能傳感器包含數字傳感器、網絡接口和處理單元，可實現各傳感器之間、傳感器與執行器之間、傳感器與系統之間的數據交換及資源共享，在更換傳感器時“即插即用”，無須進行標定和校準。

壓力傳感器按照使用類別可分為植入式、暫時植入體腔（或切口）式、體外式和用于外部設備的傳感器。本文就植入式和體外式壓力傳感器進行介紹。

4.2.1 植入式壓力傳感器

壓力傳感器的直徑＜0.5 mm時即可植入到人體的重要器官中而不影響正常生活。美國Entran公司生產的植入式壓力傳感器直徑僅為1.27 mm，適用于心血管疾病的診斷和治療；瑞典學者采用微硅機械加工技術研制的光纖壓力傳感器，其外徑為0.49 mm[20]。主流的植入式壓力傳感器包括壓電陶瓷、復合壓電材料、光纖傳感器等。光纖壓力傳感器可在強電磁、射頻及高頻電刀、核磁共振的干擾下，獲得高保真、高精確的壓力測量。當前，光纖傳感器在醫學中已用于至少8種人體壓力參數的測量[21]。其中全光纖結構壓力傳感器技術比較成熟，主要用于介入式血壓測量、植入材料內部進行的應力監測、油井內的壓力監測等[22]。植入式壓力傳感器的供電方案包括：① 采用壓電薄膜傳感器進行無源工作；② 使用射頻電磁耦合技術供電。

4.2.2 體外式壓力傳感器

體外式壓力傳感器由流量控制器、傳感器芯片、三通等組成。體外式IBP傳感器的發展趨勢：① 研發出更高性能的芯片，使測量參數更精確；② 改進封裝材料和結構，減少突發事件對測量的影響，方便醫務人員操作，減少廢棄物污染；③ 加強壓力傳感器在中心靜脈壓、肺動脈壓、左房壓、顱內壓中的應用研究[23]。

4.3 植入式測壓裝置

利用植入式測壓裝置可長期、實時地測量生理參數，對心血管疾病的治療和療效評價具有十分重要的意義。本文主要介紹以下3種植入式測壓裝置的研究和應用進展。

（1）德國弗勞恩霍夫應用研究促進協會（Fraunhofer Institute）與Dr. Osypka GmbH公司合作，共同研發出了“高血壓患者血管內檢測系統”（Intravascular Monitoring System for Hypertension Patients，Hyper-IMS）。該系統由植入式傳感器、信號發射單元和體外接收器組成。此裝置使用了特殊的互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，CMOS）器件，系統的能耗低至300 μ W。

（2）美國食品藥品監督管理局（FDA）已批準了一種集成醫用支架的無線心血管壓力監護裝置[24]，該裝置由基于MEMS的微型硅元件和德州儀器的可編程專用集成電路組成，可實現電容式傳感器的壓力測量，壓力分辨率可達0.5 mmHg。該系統采用無線供電，并可實現電壓調節和無線遙測等功能，傳輸距離約為10 cm，數據速率為42.2 kb/s。

（3）2014年5月28日，美國FDA批準了CardioMEMS HF系統。該系統用于III級心衰患者心率和肺動脈壓的測量，可準確反映舒張期左心室充盈壓力的變化，從而監測心衰。小規模的臨床試驗證實了該裝置具有安全性和有效性[25]，并可減少心衰患者30%的住院治療時間。

4.4 植入式降壓裝置

植入式血壓調節裝置由體外控制儀和體內調節裝置組成，體內調節裝置包括體內控制器、脈沖發生器和可伸進血管壁用于刺激頸動脈竇的電極、內部電源等。其工作原理如下：體外控制儀根據程序或用戶設定的參數向體內控制器發出指令，然后動態調節脈沖信號的頻率和強度，利用電極激活頸動脈減壓反射，通過負反饋機制抑制交感神經、興奮迷走神經，作用于心臟、血管和腎臟等部位，通過減慢心率、擴張血管和利尿等作用使血壓下降[26]。

2004年高興亞等[27]在國內首次報道了芯片植入式血壓控制系統，通過即時改變刺激主動脈神經的脈沖頻率從而調控血壓，結果表明，血壓降低的幅度＞20 mmHg，且可保持平穩。2006年，美國羅切斯特大學醫學中心John Bisognano博士與美國CVRx公司公布了Rheos壓力反射高血壓治療系統的初步臨床結果。該系統由電池供電的植入式發生器和兩根頸動脈竇導線組成，發生器包埋在鎖骨附近的皮下，而兩根導線分別由發生器連接到左右頸動脈分叉處。臨床研究結果表明，采用Rheos系統能連續4年降低患者的收縮壓，并能長期保持壓力反射的敏感性。目前該系統已經發展到Barostim neo版本，其采用單側導線，頸動脈竇刺激器直徑僅為1 mm，脈沖發生器電池容量更大。軟件方面也進行了更新，可以關閉壓力反射激活系統，使低血壓或休克病人的自主神經系統重新產生正常的生理應激反應；可依據病人臨床狀況的變化調節刺激強度，并在不同時段依據病人不同的治療效果設置相應的刺激參數。采用Barostim neo系統的降壓效果與Rheos系統無差異。德國弗萊堡大學工程師Dennis Plachta提出了另外一種解決方案[28]，刺激器采用長約20 mm的微型機械式細帶電極，該電極環繞在迷走神經周圍，通過刺激頸部神經來降低血壓?？偠灾踩胧街悄苎獕赫{節裝置將有望替代降壓藥物，為頑固性高血壓的治療提供同步的解決方案，具有巨大的潛在應用價值。

5 小結

綜上所述，有創血壓測量技術不斷發展，今后的研究方向是開發經濟、高效、微功耗的自動化測壓器件，優化軟件算法設計，提升抗運動干擾和抗復雜電磁環境的能力，創新自主降壓治療技術，從而提高患者的生存質量，提高其應用的安全性和可靠性，降低制造和使用成本。

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Research Progress on Invasive Blood Pressure Measurement Technology

YU Li-jun, HUANG Zhen, WANG Jing-ye, LUO Hong
Central Hospital of Xiangyang (Affiliated Hospital of Hubei College of Arts and Sciences), Xiangyang Hubei 441021, China

This paper describes the implementation process and advantages of invasive blood pressure measurement as well as the factors a ff ecting the accuracy of the results. The research progress on invasive blood pressure measurement technology and equipment such as invasive monitors and invasive pressure sensor are also reviewed in this paper. And clinical trials of implantable pressure measuring devices and therapy device is prospected.

invasive blood pressure measurement; monitor; pressure sensor

R443+.5

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.03.019

1674-1633(2015)03-0067-04

2014-07-22

2014-11-18

黃振，襄陽市中心醫院設備處副主任。

通訊作者郵箱：hzdqqmail@qq．com