祁麟，文彥麗

1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液病醫(yī)院 藥劑科，天津 300020；2.天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院 藥學(xué)部，天津 300060

可穿戴血壓測量設(shè)備的研究與應(yīng)用進展

祁麟1，文彥麗2

1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液病醫(yī)院 藥劑科，天津 300020；2.天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院 藥學(xué)部，天津 300060

高血壓是一種嚴(yán)重危害人類健康的疾病，血壓測量的準(zhǔn)確性和可靠性尤為重要?？纱┐餮獕簻y量設(shè)備能夠準(zhǔn)確地反映機體的連續(xù)血壓變化，在診斷高血壓、評價高血壓療效與預(yù)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(shè)備的分類及其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進行剖析，并探討其在該領(lǐng)域所面臨的問題。

高血壓；可穿戴設(shè)備；血壓測量；脈搏波傳導(dǎo)；搏動血液容積；測振法

引言

高血壓是嚴(yán)重威脅人類健康的疾病，它是一種以動脈血壓持續(xù)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(jié)果往往存在較大差別，連續(xù)監(jiān)測每個心動周期的血壓值有助于盡早發(fā)現(xiàn)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(shè)備由于其具有舒適與便攜的特點，給血壓的連續(xù)監(jiān)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(rèn)可并被應(yīng)用于臨床[3]。

1 技術(shù)分類

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

1.1 通過脈搏波傳導(dǎo)速度確定血壓值

脈搏波是由心臟舒張與收縮導(dǎo)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(tǒng)中的傳播而形成的，血壓水平與脈搏波傳導(dǎo)速度密切相關(guān)[4-5]。但有學(xué)者研究指出，對于不同受試者，脈搏波傳導(dǎo)參數(shù)與血壓之間較難建立統(tǒng)一的線性關(guān)系模型，需建立個體化參數(shù)模型進行測量[5]。目前測量脈搏波傳導(dǎo)速度主要有3種方法：成像法、非成像法和光學(xué)法[6]。光學(xué)法以其成本低、無創(chuàng)性測量等特征而成為此類可穿戴設(shè)備的首選技術(shù)。

利用脈搏波傳導(dǎo)速度測量血壓基本原理是通過光電傳感器結(jié)合數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行測量，得到物理參數(shù)與血壓關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，模型需先經(jīng)過校準(zhǔn)并得到校準(zhǔn)參數(shù)?；谛?zhǔn)參數(shù)，再根據(jù)脈搏波的波形參數(shù)，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(tài)并具備剛性表面性質(zhì)，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(xué)者研發(fā)出一種利用該原理連續(xù)測量橈動脈血壓的腕帶測量設(shè)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(xiàn)周期性波動，利用此原理可以實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)變。光電容積描記法是一種基于以上原理的生物醫(yī)學(xué)傳感器技術(shù)，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(chǎn)生的脈動性變化[9]。雖然這種方法可以體現(xiàn)出血液容積的變化，但是生理或病理性原因?qū)е碌难茼槕?yīng)性的改變會使測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，因此該方法還需要測定其他的生理參數(shù)，對血壓值進行進一步校準(zhǔn)才能滿足測量準(zhǔn)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(chǎn)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(dāng)壓力達(dá)到設(shè)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(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；電信號?jīng)過放大、過濾，根據(jù)連續(xù)變化的脈動壓幅值，可準(zhǔn)確測量動脈平均壓，計算后可得到收縮壓與舒張壓的數(shù)值。

2 應(yīng)用領(lǐng)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(fēng)、靶器官損害等威脅生命的并發(fā)癥[10]。鑒于此策略，可穿戴血壓測量設(shè)備的應(yīng)用可以分為以下幾方面。

2.1 預(yù)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(fā)生率呈線性負(fù)相關(guān)，夜間血壓下降率減弱5%，發(fā)生心血管事件的概率會上升20%，而且夜間血壓持續(xù)不下降提示存在繼發(fā)性高血壓的可能[11]。可穿戴血壓測量設(shè)備既可以監(jiān)測人體實時血壓，也可以將機體的血壓波動情況及晝夜節(jié)律變化通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至智能手機等終端供醫(yī)生查看，這為預(yù)測心血管事件提供了非常便利的方法。

2.2 預(yù)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(jié)律的改變，包括24 h平均血壓升高和血壓晨峰現(xiàn)象均與腎損害相關(guān)。血壓晨峰是指高血壓患者清晨醒后血壓值急劇上升的現(xiàn)象，其與靶器官損害有著緊密的聯(lián)系[12]。醫(yī)生可以通過可穿戴血壓監(jiān)測設(shè)備分析患者血壓晝夜節(jié)律的變化并評估其風(fēng)險，盡早發(fā)現(xiàn)患者血壓等指標(biāo)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(shè)計個體化治療方案

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

3 國內(nèi)外的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來可穿戴血壓測量設(shè)備在國內(nèi)外發(fā)展迅速，依據(jù)其結(jié)構(gòu)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(shè)備因其較強的抗干擾性和可靠性成為可穿戴血壓測量設(shè)備的主流形式。目前袖帶式可穿戴血壓測量設(shè)備已得到廣泛的應(yīng)用，如美國Qardio公司研發(fā)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(yī)療的iHealth系列血壓計等。這類設(shè)備不僅便攜性強，還可以通過藍(lán)牙或Wi-Fi連接智能手機傳輸數(shù)據(jù)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(shè)備基本處于實驗研發(fā)階段，尚未大規(guī)模投入市場。2007年美國麻省理工學(xué)院McCombie等[13]開發(fā)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(shù)值進行校正，血壓測量精度較高。2015年，Thomas等[14]研發(fā)出一種基于光電容積描記原理的可穿戴血壓測量設(shè)備，由傳感器收集心電圖和光電容積描記信號并推導(dǎo)出脈搏傳導(dǎo)時間，再進行回歸分析求出收縮壓與舒張壓數(shù)值。近年來，中國學(xué)者也開展了該類血壓測量設(shè)備的研究，重慶郵電大學(xué)的王普領(lǐng)等[15]研發(fā)了一種頭戴式血壓測量設(shè)備，通過測量人體頭部心電信號和利用反射式光頻轉(zhuǎn)換器測量額頭部脈搏波信號，根據(jù)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(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)分析的可靠性，是可穿戴血壓測量設(shè)備面臨的技術(shù)難題。與傳統(tǒng)的血壓測量計不同，可穿戴血壓測量設(shè)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(shè)備的適用性。

4.2 狀態(tài)識別

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

4.3 設(shè)備功耗

可穿戴血壓測量設(shè)備工作時會處于高頻度的計算和通信狀態(tài)，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(shù)逐漸成為該類設(shè)備面臨的主要技術(shù)問題和性能瓶頸[17]。當(dāng)前的可穿戴醫(yī)療設(shè)備還局限于小范圍內(nèi)的監(jiān)測使用，主要原因就是傳感器和無線傳輸技術(shù)的功耗水平還沒有達(dá)到理想的狀態(tài)。

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

4.4 用戶隱私

可穿戴血壓測量設(shè)備會涉及到用戶的隱私問題，如個人信息和健康情況等數(shù)據(jù)需要通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，而網(wǎng)絡(luò)具有開放性、交互性、共享性等特征，使得其在數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)暴露的環(huán)節(jié)增多[19]。如何保證其測量的數(shù)據(jù)只能對用戶個人和監(jiān)護醫(yī)生開放，如何在數(shù)據(jù)傳輸過程中采用加密和授權(quán)機制都是亟待解決的問題。

5 結(jié)論與展望

近年來，可穿戴設(shè)備廣泛地獲得科技公司、設(shè)備制造商及消費者等各方關(guān)注[20]?？纱┐餮獕簻y量設(shè)備的出現(xiàn)為高血壓患者的日常血壓監(jiān)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(jiān)測血壓，在疾病早期發(fā)現(xiàn)與疾病管理等方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

2014年8月，國際電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）通過了“可穿戴血壓測量設(shè)備（無袖帶式）標(biāo)準(zhǔn)”。該標(biāo)準(zhǔn)可指導(dǎo)用戶對產(chǎn)品進行選擇和評價，為產(chǎn)品制造商提供了提高及檢驗其技術(shù)的參考，也為專業(yè)人士設(shè)計該類設(shè)備的測試方案提供了方向[21]。

IEEE新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布對可穿戴血壓測量設(shè)備的準(zhǔn)確性進行了規(guī)范，為消費者選購合適的產(chǎn)品提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。隨著可穿戴血壓測量設(shè)備的廣泛應(yīng)用，必將能夠?qū)崿F(xiàn)高血壓的早發(fā)現(xiàn)、早診斷和早治療，整體降低個人和社會的醫(yī)療成本，真正實現(xiàn)移動醫(yī)療的核心價值。

[1]《中國高血壓基層管理指南》修訂委員會.中國高血壓基層管理指南(2014年修訂版)[J].中華高血壓雜志,2015,23(1):24-43.

[2]Turner JR,Hoofwijk TJ.Clinical trials in new drug development[J].J Clin Hypertens (Greenwich),2013,15(5):306-309.

[3]O’Brien E,Waeber B,Parati G,et al.Blood pressure measuring devices: recommendations of the European Society of Hypertension[J].BMJ, 2001,322(7285):531-536.

[4]Gesche H,Grosskurth D,Kuchler G,et al.Continuous blood pressure measurement by using the pulse transit time: Comparison to a cuffbased method[J].Eur J Appl Physiol,2012,112(1):309-315.

[5]尹賽男.基于脈搏波傳導(dǎo)時間的無創(chuàng)連續(xù)血壓測量研究[D].沈陽:東北大學(xué),2012.

[6]Pereira T,Correia C,Cardoso J.Novel Methods for Pulse Wave Velocity Measurement[J].J Med Biol Eng,2015,35(5):555-565.

[7]劉效林.基于脈搏波的無創(chuàng)連續(xù)血壓檢測的研究[D].北京：北京交通大學(xué),2012.

[8]Woo SH,Choi YY,Kim DJ,et al.Tissue-Informative Mechanism for Wearable Non-invasive Continuous Blood Pressure Monitoring[J].Sci Rep,2014,4:1-6.

[9]石萍,喻洪流.光電容積描記技術(shù)原理及其應(yīng)用[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2013,30(4):899-904.

[10]Hermida RC,Smolensky MH,Ayala DE,et al.Ambulatory Blood Pressure Monitoring (ABPM) as the reference standard for diagnosis of hypertension and assessment of vascular risk in adults[J].Chronobiol Int,2015,32(10):1329-1342.

[11]Ohkubo T,Hozawa A,Yamaguchi J,et al.Prognostic signif cance of the nocturnal decline in blood pressure in individuals with and without high 24-h blood pressure: the Ohasama Study[J].J Hypertens,2002,20(11):2183-2189.

[12]Turak O,Afsar B,Siriopol D,et al.Morning Blood Pressure Surge as a Predictor of Development of Chronic Kidney Disease[J].J Clin Hypertens(Greenwich),2016,18(5):444-448.

[13]McCombie DB,haltis PA,Reisner AT,et al.Adaptive hydrostatic blood pressure calibration: development of a wearable, autonomous pulse wave velocity blood pressure monitor[C]. Engineering in Medicine and Biology Society,2007.29th Annual International Conference of the IEEE,2007:370-373.

[14]Thomas SS,Nathan V,Zong C,et al.BioWatch: A Non-invasive Wrist-based Blood Pressure Monitor that Incorporates Training Techniques for Posture and Subject Variability[J].IEEE J Biomed Health Inform,2016,20(5):1291-1300.

[15]王普領(lǐng),龐宇,吳寶明,等.一種連續(xù)無創(chuàng)血壓監(jiān)測頭帶的研究[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,27(2):250-254.

[16]Massé F,Gonzenbach RR,Arami A,et al.Improving activityrecognition using a wearable barometric pressure sensor in mobility-impaired stroke patients[J].J Neuroeng Rehabil,2015,12 (72):1-15.

[17]Rossia S,Pessione M,Radicioni,et al.A low power bioimpedance module for wearable systems[J].Sensors and Actuators A: Physical, 2015,232:359-367.

[18]Lee YH,Kim JS,Noh J,et al.Wearable Textile Battery Rechargeable by Solar Energy[J].Nano Lett,2013,13(11):5753-5761.

[19]鄧世洲,王秀民,劉帆.可穿戴醫(yī)療設(shè)備引發(fā)的信息隱私保護問題及對策分析[J].中國醫(yī)學(xué)倫理學(xué),2015,28(1):83-86.

[20]艾媒咨詢集團.2012-2013中國可穿戴設(shè)備市場研究報告[J].移動通信,2014,(7):15-18.

[21]IEEE Std 1708-2014,IEEE Standard for Wearable Cuffless Blood Pressure Measuring Devices[S].

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