从Bold手环来谈谈无袖带血压计的技术

高血压是困扰很多中老年人的疾病。患者需要不间断地到医院进行血压测量，以便医生能够及时地了解病情。临床上最常见的测量血压方式是采用袖带式的血压计。这个方法还是由俄国医生Korotkoff在20世纪初发明。这位医生在日俄战争中作为随军医生到了哈尔滨。在那里，他对心血管疾病产生了兴趣。通过实践，他为自己的博士论文积累了不少病例与材料。1905年回到俄国以后，他开始着手撰写自己的博士论文。在一篇给俄国皇家军事医学院的报告中，他提出了测量血压的新方法。这篇短短281字的报告奠定了袖带式血压计的技术原理，也为Korotkoff带来了永久的声誉。

俄国医生Nikolai Korotkov与他发明的袖带式血压计（wikipedia）

袖带式血压计已经延用了100多年，被称为血压测量的“金标准”。不过要用到目前流行的可穿戴设备上就有很大问题。首先，袖带笨重，不能结合入手环一类的设备，其次，给袖带加压和减压的过程导致袖带不能实现不间断的实时测量。因此，要实现可穿戴（无袖带）的血压测量，就需要我们探索新的技术路径。

基本概念

无袖带式血压测量是基于动脉脉搏波传导时间来估计血压。动脉脉搏波是心脏泵血时血管内的压力变化波形。它会随着人体的动脉树向动脉末端传播。目前学术界使用的术语有点混乱，同一术语（如PTT）在不同的论文中被解释为不同的含义。所以，下面我们先对一些基本术语做一下定义和解释。

PTT（Pulse Transit Time）：脉搏波从心脏传导到身体特定部位所需要的时间；

PAT（Pulse Arrival Time）：从心电图的峰值时刻到脉搏波传导到身体特定部位时刻之间的时间，在一些文献中，直接用PTT代表此含义；

PEP（Pre-ejection Period）：射血前期，指心电图的峰值时刻脉搏波从心脏开始传导时刻之间的时间，与上面两个量的关系为PAT=PTT+PEP；

DPTT（Differential Pulse Transit Time）：到身体两个特定部位的PTT时间差，在一些文献中，直接用PTT代表此含义。

DPAT（Differential Pulse Arrival Time）：到身体两个特定部位的PAT时间差。

测量脉博波的技术途径

用动脉脉搏波传导时间来估计血压，原理就是脉搏波在血管中的传导速度与血压相关。估计方法为测量大量的脉搏波传导时间和血压，通过数据拟合建立两者之间的函数关系，然后就可以根据被测试者的脉搏波传导时间估计血压了。PTT路径仅需要测量脉搏波。PAT则需要测量心电图和脉搏波。心电图的测量相对简单，使用电容传感器即可完成心电信号的采集。

PTT和PAT的关键都在于测量脉搏波。目前脉搏波的主流测量方式有以下三种。

（1）压电传感器：脉搏波动会引起动脉血管壁压力周期性的变化。这种压力信号便可视作为脉搏波信号。当血管贴近皮肤表面时，这种压力变化传导到皮肤表面。通过在皮肤表面安置压电传感器，可以将压力信号转换为电信号，最终通过AD采样得到可以使用的数值信号。该方法可以得到较为完整的脉搏波信号，保留较多的脉搏波特征，缺点是压电传感器必须安置在动脉距离接近皮肤表面的地方，并且压电传感器对被测者的运动比较敏感，要求被测者保持静止状态。这在一定程度上限制了该方法的应用范围。

（2）光电容积测量法：脉搏波动会引起动脉血内血液容积周期性的变化，而血液容积的变换会影响人体组织对光的透射率和反射率。使用一个强光源照射人体组织（通常选择指尖），然后在同侧接收反射光，或在背侧接收投射光。通过光电转换器将采集得到的光信号转换为便于处理的电信号。光电容积法不需要患者处于静止状态。该方法测量的脉搏波信号有较大的畸变，一些重要的脉搏波特征会被滤出，在一定程度上影响测量精度。

（3）超声多普勒测量法：使用超声波照射血管，血压的流动产生多普勒效应，回波相对于发射信号频移，而频移量与血流速度对应。通过连续测量回波频移，便可得到血流速度信号。血流速度与脉搏波具有相关关系，直接使用血流速度信号也可以测量脉搏波传导时间。这种方法可以得到较为细致的脉搏波信号。目前学界研究相对较少，其用于脉搏波传导速度测量方面的效果有待进一步的研究。

PTT与PAT的优劣

在使用方面，PAT更为方便。PTT需要在身体的两处布置脉搏传感器。而PAT只需要在身体一处布置脉搏传感器，并在同一位置布置心电图传感器，同时完成脉搏波和心电图的测量。PAT和PTT两种方法的基本原理都是血压与动脉脉搏波传导速度之间的相关关系，而这种相关关系在不同个体之间存在一定差异。所以为了提高血压测量的精度，两种方法都需要针对特定的测量个体进行模型校准，用一次或若干次的精确血压测试值校准测量模型。

脉搏波传导时间与血压直接的关系为相关关系，没有严格的函数关系。关于PAT和PTT的血压估计效果，目前学术界的统一认识是PAT和PTT不适用于精确的血压测量，但可以用于测量血压的波动。在PAT和PTT的优劣对比上，学术界没有统一的结论。有研究表明，由于PEP的干扰，PAT在估计SBP（收缩压）、DBP（舒张压）和MBP（平均血压）上都次于PTT(GuanqunZhang, 2011)；另有研究显示，PAT在估计SBP上优于PTT，在估计DBP和MBP上次于PTT(Payne RA, 2005)。这两个研究在结论上相互矛盾，暗示着血压估计效果和PAT以及PTT的提取算法高度相关。

目前已经上市的个人消费类血压测量产品有FreescanTM。FreescanTM采用了三个心电电极与一个压力传感器。由于压力传感器对运动状况敏感，所以只能采取患者手持设备，固定于手腕处的方式来测量。虽然解决了小型化问题，但是不能连续测量。根据官网信息，血压测量根据的是双手的PTT时间差，即DPPT。心电电极只是辅助提供了心率信息。

Freescan便携式血压计。使用时需置于左手桡动脉处，仪器须以右手手持

这里要介绍的Bold Diagnostics则是脱胎于美国西北大学的一家初创公司。Bold将血压计植入腕带，可以进行长期实时（连续测量血压超过七天）的血压监测。他们采用了光电容积测量法。使用发光二极管和检测二极管来设计监测显示电路，以确定脉冲在左右手到达时间之间的差异。公司在公开资料中表示采用的技术路径为DPAT。尽管PAT技术可以只布署一个检测点，Bold还是采用了两个手环，可能是为了提高测量的精度。Bold已经完成了第一阶段的临床实验，证明了DPAT数据与血压的相关性。在2016年第三季度计划完成第二阶段的临床实验，将与袖带式血压计做对比，来确认DPAT技术测量血压数据的准确性。

Bold Diagnostics 开发的Bold手环

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