可穿戴血壓測量設備的研究與應用進展

祁麟，文彥麗

1.中國醫學科學院血液病醫院 藥劑科，天津 300020；2.天津醫科大學腫瘤醫院 藥學部，天津 300060

可穿戴血壓測量設備的研究與應用進展

祁麟1，文彥麗2

1.中國醫學科學院血液病醫院 藥劑科，天津 300020；2.天津醫科大學腫瘤醫院 藥學部，天津 300060

高血壓是一種嚴重危害人類健康的疾病，血壓測量的準確性和可靠性尤為重要。可穿戴血壓測量設備能夠準確地反映機體的連續血壓變化，在診斷高血壓、評價高血壓療效與預后及判斷靶器官損害等方面都具有非常重要的意義。本文就可穿戴血壓測量設備的分類及其在醫療領域的應用現狀進行剖析，并探討其在該領域所面臨的問題。

高血壓；可穿戴設備；血壓測量；脈搏波傳導；搏動血液容積；測振法

引言

高血壓是嚴重威脅人類健康的疾病，它是一種以動脈血壓持續升高為特征的的慢性病，是心腦血管病最主要的危險因素，也是致患者死亡的主要原因[1]。加強血壓測量，提高高血壓的知曉率是降低高血壓死亡率的重要手段[2]。

人體的血壓具有波動性，單次測量的結果往往存在較大差別，連續監測每個心動周期的血壓值有助于盡早發現血壓變化異常情況，對于高血壓患者具有非常重要的意義?？纱┐魇窖獕簻y量設備由于其具有舒適與便攜的特點，給血壓的連續監測提供了可能，為高血壓的疾病管理提供了理想的選擇，目前已得到歐美國家廣泛地認可并被應用于臨床[3]。

1 技術分類

目前測量血壓的可穿戴設備是通過測量人體的不同生理信號來確定血壓值，根據其原理分類如下。

1.1 通過脈搏波傳導速度確定血壓值

脈搏波是由心臟舒張與收縮導致血壓、血流周期性變化，以及血管壁的彈性形變和震動在動脈系統中的傳播而形成的，血壓水平與脈搏波傳導速度密切相關[4-5]。但有學者研究指出，對于不同受試者，脈搏波傳導參數與血壓之間較難建立統一的線性關系模型，需建立個體化參數模型進行測量[5]。目前測量脈搏波傳導速度主要有3種方法：成像法、非成像法和光學法[6]。光學法以其成本低、無創性測量等特征而成為此類可穿戴設備的首選技術。

利用脈搏波傳導速度測量血壓基本原理是通過光電傳感器結合數據分析系統進行測量，得到物理參數與血壓關系的數學模型，模型需先經過校準并得到校準參數。基于校準參數，再根據脈搏波的波形參數，通過對模型公式的計算可以得到每個心動周期下的動脈血壓值。

1.2 通過橈動脈扁平張力確定血壓值

對骨骼附近的體表動脈施加外壓時，這部分體表動脈會呈扁平狀態并具備剛性表面性質，此時作用于該表面的外力與體表周圍的動脈壓力近似成正比。因此可以通過安置于體表動脈部位的壓力傳感器來測量壓力，通過動脈壓力的變化波形、動脈搏動的最大及最小信號來計算血壓值[7]。該法適用于測量接近骨組織的淺表動脈，由于橈動脈血管管腔直徑較大且更方便被測量，因此多以測量橈動脈血壓為主。近年來有學者研發出一種利用該原理連續測量橈動脈血壓的腕帶測量設備。其基本原理，見圖1[8]。

圖1 利用橈動脈搏動確定血壓的基本原理

1.3 通過搏動血液容積變化確定血壓值

血液受心臟周期性搏動的影響，其對光的衰減和吸收呈現周期性波動，利用此原理可以實現光信號到電信號的轉變。光電容積描記法是一種基于以上原理的生物醫學傳感器技術，通過實時描記被測部位的光吸收量來獲取外周微血管的血液容積隨心臟搏動而產生的脈動性變化[9]。雖然這種方法可以體現出血液容積的變化，但是生理或病理性原因導致的血管順應性的改變會使測量結果出現偏差，因此該方法還需要測定其他的生理參數，對血壓值進行進一步校準才能滿足測量準確性的要求。

1.4 通過測振法來確定血壓值

此方法通過充氣袖帶局部加壓來檢測血液碰撞血管壁時產生的振動，進而計算出血壓值。其基本過程如下：袖帶進行充氣，當壓力達到設定值時停止充氣；充氣袖帶慢速放氣，此時壓力傳感器記錄脈搏振動幅度并將壓力信號轉變為電信號；電信號經過放大、過濾，根據連續變化的脈動壓幅值，可準確測量動脈平均壓，計算后可得到收縮壓與舒張壓的數值。

2 應用領域

高血壓治療策略是指降低患者的舒張壓與收縮壓水平，從而防治腦血管疾病、中風、靶器官損害等威脅生命的并發癥[10]。鑒于此策略，可穿戴血壓測量設備的應用可以分為以下幾方面。

2.1 預測心血管事件

研究表明，高血壓患者的夜間血壓下降率和心血管事件的發生率呈線性負相關，夜間血壓下降率減弱5%，發生心血管事件的概率會上升20%，而且夜間血壓持續不下降提示存在繼發性高血壓的可能[11]?？纱┐餮獕簻y量設備既可以監測人體實時血壓，也可以將機體的血壓波動情況及晝夜節律變化通過無線網絡傳輸至智能手機等終端供醫生查看，這為預測心血管事件提供了非常便利的方法。

2.2 預防腎臟功能損害

高血壓是加速腎功能惡化的首要危險因素。血壓晝夜節律的改變，包括24 h平均血壓升高和血壓晨峰現象均與腎損害相關。血壓晨峰是指高血壓患者清晨醒后血壓值急劇上升的現象，其與靶器官損害有著緊密的聯系[12]。醫生可以通過可穿戴血壓監測設備分析患者血壓晝夜節律的變化并評估其風險，盡早發現患者血壓等指標的異常變化，同時選擇合適的治療方案進行治療，延緩腎損害的進程。

2.3 設計個體化治療方案

使用可穿戴血壓監測設備可以準確及時地了解高血壓患者的血壓變化規律，并由此選擇適合的降壓藥物，有助于設計并實施高血壓個體化治療方案?？纱┐餮獕簻y量設備能更全面地觀察患者服用降壓藥后的血壓變化，幫助醫生了解藥物針對不同患者起效的時間與強度，判斷當前給藥方案是否適合于患者，避免其在血壓低時繼續服用降壓藥，保障患者安全。

3 國內外的研究與應用現狀

近年來可穿戴血壓測量設備在國內外發展迅速，依據其結構大體可分為袖帶式和無袖帶式兩種，其中袖帶式可穿戴血壓測量設備因其較強的抗干擾性和可靠性成為可穿戴血壓測量設備的主流形式。目前袖帶式可穿戴血壓測量設備已得到廣泛的應用，如美國Qardio公司研發的QardioArm血壓計，日本歐姆龍株式會社的上臂式及手腕式電子血壓計，九安醫療的iHealth系列血壓計等。這類設備不僅便攜性強，還可以通過藍牙或Wi-Fi連接智能手機傳輸數據并生成血壓變化記錄表，讓使用者更好地了解自身的血壓狀況。

目前無袖帶式血壓測量設備基本處于實驗研發階段，尚未大規模投入市場。2007年美國麻省理工學院McCombie等[13]開發出了一種佩戴在手腕與手指上的可穿戴血壓測量計，通過三維加速度傳感器對手臂不同位置的血壓數值進行校正，血壓測量精度較高。2015年，Thomas等[14]研發出一種基于光電容積描記原理的可穿戴血壓測量設備，由傳感器收集心電圖和光電容積描記信號并推導出脈搏傳導時間，再進行回歸分析求出收縮壓與舒張壓數值。近年來，中國學者也開展了該類血壓測量設備的研究，重慶郵電大學的王普領等[15]研發了一種頭戴式血壓測量設備，通過測量人體頭部心電信號和利用反射式光頻轉換器測量額頭部脈搏波信號，根據脈搏波延遲法進行血壓測量。

4 存在的問題

4.1 測量精度

如何確保監測數據的準確性和數據分析的可靠性，是可穿戴血壓測量設備面臨的技術難題。與傳統的血壓測量計不同，可穿戴血壓測量設備大多是通過獲取人體各種生理信號間接計算血壓值，因此生理信號傳感器的采集精度、靈敏度與血壓算法及校驗方法決定了該類設備的適用性。

4.2 狀態識別

目前可穿戴血壓測量設備大多只能在人體處于某一特定的狀態下使用，難以監測不同的運動狀態和佩戴姿勢對血壓水平的影響，因此不能區分生理性和病理性血壓水平變化。有學者提出了多傳感器聯合應用的技術手段，為根據監測對象所處的具體情景而提供更準確、實時的監測帶來了一種新的思路，也為在人體不同狀態的基礎上對血壓水平做出正確的識別提供了研究方向[16]。

4.3 設備功耗

可穿戴血壓測量設備工作時會處于高頻度的計算和通信狀態，由于其體積較小，難以裝載高容量的電池，電源使用管理等電池技術逐漸成為該類設備面臨的主要技術問題和性能瓶頸[17]。當前的可穿戴醫療設備還局限于小范圍內的監測使用，主要原因就是傳感器和無線傳輸技術的功耗水平還沒有達到理想的狀態。

目前降低可穿戴設備功耗水平有兩種研究方向：“開源”和“節流”。如設計低功耗集成電路、研究降頻與降壓低功耗等技術，實現“節流”；開發高性能電池技術，借助高性能高密度的新型電池材料實現電池技術的突破，實現“開源”。隨著納米材料在太陽能電池領域的應用，太陽能電池目前正面向提高光電轉換率和輸出功率的方向發展，未來有希望作為可穿戴設備的電源使用，提高其續航能力[18]。

4.4 用戶隱私

可穿戴血壓測量設備會涉及到用戶的隱私問題，如個人信息和健康情況等數據需要通過無線網絡傳輸，而網絡具有開放性、交互性、共享性等特征，使得其在數據傳輸過程中的數據暴露的環節增多[19]。如何保證其測量的數據只能對用戶個人和監護醫生開放，如何在數據傳輸過程中采用加密和授權機制都是亟待解決的問題。

5 結論與展望

近年來，可穿戴設備廣泛地獲得科技公司、設備制造商及消費者等各方關注[20]?？纱┐餮獕簻y量設備的出現為高血壓患者的日常血壓監測帶來了便利，它可以在不影響用戶正常生活的前提下實時監測血壓，在疾病早期發現與疾病管理等方面有著非常廣闊的應用前景。

2014年8月，國際電氣與電子工程師協會（IEEE）通過了“可穿戴血壓測量設備（無袖帶式）標準”。該標準可指導用戶對產品進行選擇和評價，為產品制造商提供了提高及檢驗其技術的參考，也為專業人士設計該類設備的測試方案提供了方向[21]。

IEEE新標準的發布對可穿戴血壓測量設備的準確性進行了規范，為消費者選購合適的產品提供了參考標準。隨著可穿戴血壓測量設備的廣泛應用，必將能夠實現高血壓的早發現、早診斷和早治療，整體降低個人和社會的醫療成本，真正實現移動醫療的核心價值。

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Research and Application Progress of Wearable Blood Pressure Monitoring Device

Hypertension is a serious disease to harm human health, and the accuracy and reliability of blood pressure monitoring plays a crucial role in it. Wearable blood pressure monitoring device can accurately ref ect the continuous changes of the user’s blood pressure, therefore it is of great signif cance in the diagnosis, treatment efficacy evaluation, prognosis and determination of target organ damage of hypertension. This paper takes an in-depth analysis of the classif cation and application status of wearable blood pressure monitoring device in medical f eld, as well as existed problems.

hypertension; wearable device; blood pressure monitoring; pulse wave transit; pulse blood volume; oscillometric method

QI Lin1, WEN Yan-li2
1. Department of Pharmacy, Institute of Hematology & Blood Diseases Hospital, Chinese Academy of Medical Science, Tianjin 300020, China;2. Department of Pharmacy, Tianjin Medical University Cancer Institute & Hospital, Tianjin 300060, China

R443

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.12.019

1674-1633(2016)12-0077-03

2015-12-12

2015-12-21

作者郵箱：polarstar@vip.qq.com