基于心沖擊信號的血壓監測技術研究進展

崔子琦，邢曉曼

1. 北京交通大學電子信息工程學院（北京 100044）

2. 中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所（江蘇蘇州 215163）

血壓監測在健康管理和臨床診斷方面具有重要意義。現有研究表明高血壓是引發心血管疾病的危險因素之一，可引起動脈硬化、心臟肥厚、中風、心肌梗死、主動脈瘤等高風險疾病[1-3]。血壓波動情況能科學有效的反映個體體征變化、血液流速、機體新陳代謝以及自身機體內組織器官功能健康狀態[4]，因此血壓監測是疾病防控中重要的措施。但由于人的血壓具有波動性[5-6]，單次測量不能夠滿足血壓監測的要求，且情緒波動、體力活動等因素也會對血壓產生影響[7-9]，因此精準的連續動態血壓及其短期漲落模式的監測具有重要臨床和社會意義。

相較于現有的血壓監測技術，如容積鉗制法、扁平張力法、基于血液容積波（photoplethysmography，PPG）的測量方法，使用心沖擊圖（ballistocardiogram，BCG）的血壓監測技術無需佩戴復雜的測量設備，也不會壓迫血管，不僅可以使用戶負荷更低、操作更簡便，且能夠穩定有效地持續獲得數據，可用于動態血壓持續監測[10-12]。BCG中富含豐富的信息量，從單路信號便可提取心率、呼吸率等參數，可應用于動態監測個體健康狀況，已被證明測量具有足夠的精度[13]，適用于臨床醫學的推廣和個體的日常居家健康管理。隨著電子科學技術的進步，BCG信號獲取的方法越來越多樣化，精度越來越高，越來越多低廉高性能測量設備涌現出來。隨著心臟動力學研究的日益深入和人工智能技術的發展，科學界對BCG信號背后的生理信息有了新的認識，基于BCG的血壓監測精度上升到了一個新的高度。這不僅對低負荷血壓監測技術的革新提供新的突破口，也為個體健康管理日常化提供了有效途徑。本文就基于BCG信號血壓監測的原理、研究現狀、發展方向展開綜述。

1 BCG的基礎知識

1.1 BCG的形成

BCG信號是一種由心臟機械活動引起的軀體的微小震蕩，能有效反映人體心血管系統的健康狀況[14]。當心臟泵血時會對血管產生沖擊，產生與血液流動方向相反的作用力，并隨著人體傳到體表，體表傳感器接收到的信號便是BCG信號[15]。因此，基于BCG測量技術是一種非侵入式的方法，無需直接貼附人體，可在使用者無感的情況下實現監測其生理參數，是一種真正零負荷的測量方式。

試驗依據田間試驗安排，對比配方施肥的增產效果，探索不同配方施肥對馬鈴薯生長性狀和產量的影響，為實現高產、優質、高效馬鈴薯生產施肥技術提供依據[1]。

BCG波形同步反映了心動周期血液動力學的信息[16-17]。一個完整心動周期的BCG包括G、H、I、J、K、L、M、N 波動[18]，其中 H、I、J、K 波的幅值最大。典型的BCG波形如圖1所示，整個心動周期可分為三部分：收縮前期（GH）、收縮期(IJK)和舒張期(LMN)。現有研究表明，BCG的波形特征，如波峰的幅度、波峰之間的時延等與血壓值的變化有很高的相關性，可作為血壓監測的指標[19-21]，且當心血管活動異常時，如出現心臟房顫、早搏時，BCG信號的周期、頻率、幅度會有不同程度的改變[22-23]。

圖1 典型的BCG波形[18]Figure 1. Typical BCG waveform[18]

1.2 常見的BCG信號采集方式

BCG信號可通過不同類型的體外傳感器獲得，如壓力傳感器[12,24]、加速度傳感器[25]、電容耦合傳感器[26]和光纖傳感器等[27-28]。現有研究揭示了不同的傳感器在不同測量環境下性能也有所不同，壓力傳感器的穩定性和靈敏度一般較高，可以測量縱向的壓力變化，在供電受限的情況下也可正常工作，但是需要受試者保持特定的姿勢[12,29];加速度傳感器穩定性雖低一些，但適用的范圍較廣，在人體不同測量位置都能獲得有效的三個方向軸上的參數，更容易應用于可穿戴設備中[17,30]；光學傳感器的非磁性質，使其在測量中抗電磁和射頻干擾的性能更強，且光纖材質化學性質穩定，更耐水、耐高溫、耐腐蝕，適用環境更廣，但由于其光敏感性，一般需要高功率的光源，且對于環境中光強的變化和運動噪聲也更加敏感，因此一般需要在低干擾的環境中工作[27-28]。相較于其他低負荷式的血壓測量技術，如血液容積法、雷達毫米波等技術，基于BCG的血壓監測方法的負荷更低，無需佩戴任何胸帶、貼片或腕帶[31]，且可根據應用的場景，選擇不同的傳感器獲取BCG信號，測量具有更高的抗干擾能力和可重復性[14]。目前關于BCG信號的測量主要集中在立式、坐式、臥式三種姿態。

1.2.1 立式

采取畢業生自評、畢業生訪談和用人單位訪談等方式完成畢業要求達成度的定性分析。對應屆畢業生發放自評調查問卷，組織應屆畢業生進行訪談，對前來招聘并完成對應屆畢業生考核的用人單位進行訪談。為了保證數據的合理性，畢業生自評調查問卷的回收率要在50%以上，進行畢業生訪談的人數比例要達到50%以上，選擇用人單位訪談對象時，要注意企業特色與專業特色的匹配度、地域的覆蓋度和就業學生的規模。

2007 年 González等提出了利用電子秤感應心臟周期泵血時人體足部的壓力變化，來獲得BCG信號測量心率的技術，該設備由斯坦福大學開發，測量者無需任何額外操作，只需平穩的站在秤上即可，該研究驗證了BCG信號在提取測量人體參數方面的可信度[32]。三星研究院使用含有壓力應變計的改裝體重秤與含有加速度傳感器的腕表，獲得了人體站姿時腕部和足部的BCG信號，并將其用于血壓監測的分析，完成了血壓到BCG信號的重建，擴展了BCG測量的應用場景[19]。

2013年，蔣芳芳等在心臟動力學的視角下，對標準坐位BCG的產生、體內的傳導過程進行了數學建模。該研究主要考慮了左心室中動脈血流的影響，血流在體內的傳導過程被簡化為二階欠阻尼系統，實驗建模恢復了BCG波形的基本特征點，但由于未考慮軀體力學分布和右心室的影響，BCG信號I波的波谷較低[35]。2015年，Javaid等分析了不標準站姿和坐姿帶來的信號漂移，并提出了身體姿態在不同偏移角度下的BCG信號糾正方案[36]。實驗結果表明，糾正方案可大大提高BCG信號的可用性和有效性，這也在一定程度上擴展了BCG信號的應用場景。2016年，Kim等通過對主動脈血流進行測量和模擬，定性獲得了標準站位BCG波形，其中I、J、K波的重塑有效性達91%以上，L、M、N波的重塑有效性達83%以上，該研究還揭示了BCG來源于升主動脈和降主動脈之間血壓梯度，其中，I波的開始點與J波波峰間的時間間隔可代表主動脈脈沖傳輸時間，J波的幅值對應于主動脈的脈壓（主動脈脈壓=收縮壓-舒張壓）作用與主動脈橫截面的壓力值，J-K波的相對振幅對應于外圍血壓作用于降主動脈作用橫截面的血壓值，這表明了BCG信號的幅度和時間特征對血壓監測和心血管疾病臨床風險評估具有重要意義[37]。在Kim等研究的基礎上，2019年，Yousefian等通過把軀體模擬為剛體、彈簧等相連的力學系統，把心臟搏動模擬為周期性的流體泵，在腕部和足底的位置獲取了同步BCG波形參數及其對于軀體力學參數的敏感度[37]，如圖2、圖3所示[19]。該力學系統將BCG信號刻畫為主動脈脈壓梯度與軀體力學系統作用后的結果，通過實驗揭示了腕部I波和J波與主動脈入口舒張壓的最小值有關，腕部J波和K波與主動脈出口的舒張壓最小值相關。然而Yousefian等的理論模型未考慮周邊血管系統對動量的貢獻，因此一些推論不符合常理。譬如理論推導的波幅和傳播速度獨立，實際上，受血管彈性、血液慣性和血管樹的影響，這兩者是密切相關的。

本研究結果顯示，兩組手術時間、術中出血量比較，差異有統計學意義(P<0.05)；研究組患者肛門排氣時間、導尿管留置時間、下床時間以及住院時間優于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)。研究組1年后宮內受孕率明顯高于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)。本研究中，輸卵管妊娠部位位于輸卵管壺腹部的患者例數較多，推測其原因為輸卵管局部炎癥及輸卵管發育不良所導致的功能障礙。本研究結果顯示，腹腔鏡手術的治療效果優于對照組。研究數據也充分表明了腹腔鏡手術的創傷較小，患者恢復較快[9]。

Koivistoinen等使用一個裝有壓電駐極體薄膜（EMFi）傳感器的座椅測量BCG信號,當心臟跳動時，心血管運動引起身體的縱向力，會使傳感器的厚度發生變化，從而引起其中電荷的改變。系統的測試結果證明，該設備可有效記錄BCG信號[33]。Shao 等利用一種基于高清視頻的方法來測量BCG信號,該方法利用視頻每幀中受試者面部特征的偏移量來獲得其身體加速度變化，但該方法對受試者姿態要求較高，用戶在整個測試過程中必須保持絕對靜止，微小的無意識移動都會影響測量結果，且該方法以高分辨率視頻為原始數據，采集的數據量和分析計算量極大，測量會記錄受試者面部特征，可能涉及用戶隱私安全問題，因此難以日常應用[25]。

2.2.2 臥式

生：然后我思考曲線的長度，因為這曲線既是這個圖形的一條邊，又是另一個圖形的一條邊。把每個圖形的邊都加起來，也就等于這個圖形的周長，它們的周長也是相等的

目前，基于BCG測量血壓的理論研究主要是對不同姿態下心血管系統血液傳播的理論進行建模，研究分析的姿態主要集中于標準站姿和坐姿，而臥姿狀態下心血管受力較為復雜，研究也相對較少。

1996 年，俞夢孫等研制出一種基于充氣式的微動敏感床墊，該設備通過床墊內的氣墊變化感知由心動周期引起的軀體震動的壓力變化，獲得BCG信號。經實驗測試，該設備可有效記錄BCG信號，并從中提取受試者心率、呼吸等信息，相關性達0.99[34]。Su等使用一種基于液壓的多路傳感器記錄受試者臥姿下的BCG信號，并使用獲得的信號與測量的血壓值進行相關性分析，實驗結果表明該設備測量記錄的BCG信號可有效應用于動態血壓監測[12]。Chen等使用一種基于高靈敏度的多模微彎光纖智能床探測BCG信號，從中提取的心率和呼吸率測量誤差為2 bpm，證明其具有較高的可用性[27]。

2 基于BCG信號的血壓測量技術的發展

2.1 基于BCG測量血壓的理論研究

楊譯：“He wondered in some amusement: If so, she's ‘Dong Shi imitating Xi Shi,' which isn't original but rather tiresome.”

1.2.2 坐式

圖 2 中心血管血液動力學模擬與軀體微振動的關聯模型[19]Figure 2. Correlation model between cardiovascular dynamics simulation and body microvibration[19]

圖3 BCG信號對輸入參數敏感度分析[19]Figure 3. Sensitivity analysis of BCG signal to input parameters[19]

2.2 基于BCG信號測量血壓的實驗研究

A0((uh,i,Bh,i), (v,s)) + A1((uh,i, Bh,i),(uh,i,Bh,i),(v,s)) - b((v,s),ph,i)+b((uh,i, Bh,i),q) = (F,(v,s))， ?((v,s),q)∈Xh×Wh×Qh。

目前關于BCG測量血壓的研究主要集中于：①利用特征工程提取血壓相關的信號特征值，并與測得的金標準血壓值進行關聯度評估，利用有效特征的線性組合擬合血壓值；②聯合其他低負荷信號（如ECG、PPG等）計算脈沖到達時間（pulse arrival time，PAT）、脈搏傳導時間 （pulse transit time，PPT）等指標，利用已有的理論進行血壓值估計。這些研究主要集中在立式、坐式和臥式三種標準姿態下的血壓測量，其中關于立式和坐式的研究分析較為豐富，在信號特征分析、多維度擬合和力學建模方面都有研究，而基于臥式的BCG信號由于力學形成相對復雜，目前還罕有力學角度的血壓建模分析，此外，單一使用血液動力學對BCG-血壓建模的研究還不太豐富。

由于使用BCG聯合其他生理信號計算血壓的方法大多是利用多路信號的時間差計算PPT或PAT，測試時一般需要同時使用多路傳感器進行測量，會導致受試者佩戴傳感器的負荷較大，且姿態受到嚴格限制。因此，Kim等還探究了單獨使用BCG測量血壓的潛力，相關性分析發現，BCG的I-J波之間的時間間隔與舒張壓有較好的相關性（r=0.70），BCG的J-K波間的相對振幅與脈壓有較好的相關性（r=0.69）[21]。類似的，Peyman等在2018年使用腕式BCG測試20余名健康年輕志愿者[20]，使用主成分分析和線性擬合算法，收縮壓誤差達到14.7±1.4 mmHg，舒張壓誤差為11.9±1.1 mmHg。分析結果還表明，要獲得穩定且具有實際意義的血壓監測值，最少需要使用BCG波形的特征數目為3。如算法結合肢端PPG信息，能夠將誤差降低到7.6 mmHg和5.1 mmHg[36]，這提示了血液動力學在BCG-BP模型中作用不容忽視。

三星高等研究院聯合馬里蘭大學、密歇根大學、加拿大阿爾伯塔大學等在2016—2019年期間集中發表了多篇論文，圍繞標準站位（改裝體重秤，如圖4a所示）和標準坐位（壓電薄膜，如圖4b示），從多個角度探索了BCG波形特征與血壓值之間的相關性，證明從BCG信號中提取血壓值的可行性和準確性[19-21,38,40-41]。其中在BCG聯合其他生理信號獲得PPT測量血壓的研究中，Martin等于2016年結合BCG、PPG、ECG、ICG等信號評估了基于站姿下的PPT血壓測量方法，發現BCG-PTT評估比PPG-PTT評估要準確，主要原因為BCG的波形尖峰與心臟搏動的關聯更緊密，而PPG反映的容積變化有不固定的時間滯后[40-41]；Kim等發現BCG特征與血壓變化的關聯在大多數情況下優于PPG特征，但是在某些情況下遜于PPG特征（譬如運動后）[21]。

2.2.1 立式與坐式

1.2.3 臥式

(1)電機的功率、轉矩和轉速應滿足太陽能割草機的工作要求，能夠適應割草機的前進、后退、左轉、右轉和停止等動作的運動要求。

臥式BCG的波形與立式和坐式顯著不同，因此提取的波形特征血液動力學模型也與這兩種姿態下的研究不同。Sakajiri等設計了一種非接觸電容耦合系統同步穩定測量受試者的電容性心電和電容性心沖擊圖，并將血壓與BCG的關系公式化為心率與BCG參考ECG拐點時間差乘積的指數函數，公式化后的血壓誤差平均值為2.37mmHg，但是由于呼吸運動引起的胸內壓變化會壓縮血管，所以每次呼吸時血壓都會發生變化，且隨著測量時間的推移，參考時間軸發生偏移，計算的誤差隨之增大，該研究還需在該方面進行改進[26]。Su等在軀干部位使用一維分布的4個條狀水壓傳感器（如圖4c），在標準仰臥狀態下進行了小范圍實驗測試。通過對BCG波幅的提取，取得了BCG-BPS與金標準平均相關度0.9的結果（如圖5）[12]。該研究證實了基于臥式BCG血壓測量的可行性和正向相關性。但是由于樣本量小（48名健康志愿者）、特征單一（僅使用波幅）、測試者保持靜止、血壓保持平穩，不能嚴格證明其對血壓短期波動的有效性，需在此基礎上結合理論研究進行優化。

圖4 主要的BCG測量模式（a）立式（b）坐式（c）臥式[12,38-39]Figure 4. Main BCG measurement modes (a) vertical (b) seated (c) horizontal[12,38-39]

圖5 基于BCG的動態收縮壓（BPS）與金標準能夠保持穩定正相關[12]Figure 5. BCG - based dynamic systolic pressure (BPS) was positively correlated with the gold standard[12]

通過對各種基于 BCG 信號的血壓測量方法的分析可以看出，由于不同姿態下 BCG 信號的測量方法、特征提取方法、力學分析建模等各不相同，BCG信號測量血壓的性能也各不相同。目前測量的方法主要是結合BCG信號與其他測量的生理信號（ECG、PPG等）計算PPT、PAT等指標，再結合關于這些指標較為完善的理論知識及動脈彈性腔理論，建立特征參量與血壓間的相關關系方程計算血壓值。相較于傳統的研究方法，結合了BCG的血壓測量精度得到了有效的提升，這也從側面證實了BCG的信號特征與血壓變化有一定的關聯。在此基礎上，為了進一步實現血壓監測的無負荷化，單一使用BCG信號的血壓測量方法也相繼開展，從BCG信號特征分析和血液動力學切入，目前已可穩定重建受試者BCG波形、獲取血壓變化的相對值，隨著對BCG認識的不斷深入，這將是未來BCG測量血壓主要的研究方向之一。

2.3 基于BCG信號測量血壓的臨床進展及前景

基于BCG的血壓測量技術不僅在理論和實驗方面發展迅速，其在臨床方面的應用也前景光明,雖然市場上尚未出現符合臨床應用標準的測量儀器，但該方法具有低負荷、易操作和能夠動態測量等特性，未來可能在操作性、精確性和舒適性等方面彌補現有測量方法的不足，甚至代替某些方法。

具體來說，目前臨床中血壓測量的金標準是侵入性動脈導管[42]，但由于其侵入式的測量方式，該方法僅僅在一些危重癥患者手術時應用。柯氏音血壓測量法克服了侵入式測量的缺點，但是需要專業操作人員對聽到的脈搏音進行判讀從而讀取血壓值[43]，人為主觀因素對讀取結果的影響很大，且難以實現血壓動態監測。

為了進一步實現無創連續的血壓測量，基于動脈張力、恒定容積、脈搏波測量等方法也應用于臨床當中。其中基于動脈張力的方法需要對骨骼周圍的動脈施壓使得血管內外壓相等，然后使用特定傳感器獲得壓力值，該方法在臨床中準確性較好，可實現連續測量，但是需要與受試者動脈周邊骨骼緊密固定，在連續測量時受試者束縛感和不適感強，而且臨床研究表明，該技術對大的瞬時血壓變化不敏感[44]，在老年人群中缺乏可靠性[45]。基于恒定容積的測量方法往往也需要對受試者的血管壁施壓，因此受試者在動態測量過程中感受到的壓迫感強，且長期施壓更易導致受試者靜脈處于充血狀態，從而影響測量值[46],不利于長期測量。而脈搏波測量法雖大大降低了測量時的壓迫感，但需要在兩個不同的動脈部位安裝傳感器，測量結果受到動脈壁硬度和血管形態的影響，現有研究證明其對舒張壓的評估不適用[47]，該技術目前仍在持續改進。

相比之下，基于BCG信號的血壓測量方法無需采用束縛式傳感器，受試者的測量負荷可進一步降低，甚至可以達到零負荷，且避免了壓力束縛改變受試者生理狀態的現象，在長期動態監護上有著無可比擬的優勢。此外，由于BCG信號可以穩定獲取，使得逐拍血壓監測成為可能，進而提高對血壓瞬時變化的監測敏感程度，在對特定疾病的監測時該方法可彌補動脈張力法等傳統方法的不足。更重要的是，BCG信號中附加很多額外信息，目前臨床中已通過BCG信號判斷睡眠呼吸暫停、心臟房顫、早搏等，這也使得用單一設備低負荷多方位監測生理狀況成為可能。而且BCG傳感器成本低，為降低監測的醫療成本提供了契機，結合BCG測量方法操作簡單的優勢，居家監測也可能成為現實。但是目前基于BCG的血壓監測技術仍在發展階段，雖然在臨床實踐中已可以判斷不同類型的高血壓[48]，但其精度和動態性還需進一步提高，市面上需要符合臨床標準的測量設備，這也是BCG測量技術發展面臨的重要挑戰。

3 結語

血壓監測對心血管疾病、中風等高風險疾病的診斷和早期防控具有重要意義。BCG技術由于無創、低負荷、可連續監測、蘊含大量生理信息等優點，已成為血壓動態監測的一個發展方向。目前結合BCG和其他生理信號的血壓監測技術已有良好進展，測量結果的穩定性和準確性都較高。關于單一BCG測量的技術仍在發展，目前已證明BCG信號特征與血壓值之間具有高度相關性，且在坐姿和站姿下已有較完備的力學分析理論和測量實踐，具有較為良好的測量精度；關于臥姿的力學分析仍在發展中。隨著電子信息技術的發展，BCG測量和提取技術將更加可靠，未來需結合數據分析經驗和力學模型分析，進一步完善BCG測量血壓的理論，提高其測量精度。