可穿戴血压测量设备的研究与应用进展
祁麟1，文彦丽2
1.中国医学科学院血液病医院 药剂科，天津 300020；2.天津医科大学肿瘤医院 药学部，天津 300060
[摘 要]高血压是一种严重危害人类健康的疾病，血压测量的准确性和可靠性尤为重要。可穿戴血压测量设备能够准确地反映机体的连续血压变化，在诊断高血压、评价高血压疗效与预后及判断靶器官损害等方面都具有非常重要的意义。本文就可穿戴血压测量设备的分类及其在医疗领域的应用现状进行剖析，并探讨其在该领域所面临的问题。
[关键词]高血压；可穿戴设备；血压测量；脉搏波传导；搏动血液容积；测振法
引言
高血压是严重威胁人类健康的疾病，它是一种以动脉血压持续升高为特征的的慢性病，是心脑血管病最主要的危险因素，也是致患者死亡的主要原因[1]。加强血压测量，提高高血压的知晓率是降低高血压死亡率的重要手段[2]。
人体的血压具有波动性，单次测量的结果往往存在较大差别，连续监测每个心动周期的血压值有助于尽早发现血压变化异常情况，对于高血压患者具有非常重要的意义。可穿戴式血压测量设备由于其具有舒适与便携的特点，给血压的连续监测提供了可能，为高血压的疾病管理提供了理想的选择，目前已得到欧美国家广泛地认可并被应用于临床[3]。
1 技术分类
目前测量血压的可穿戴设备是通过测量人体的不同生理信号来确定血压值，根据其原理分类如下。
1.1 通过脉搏波传导速度确定血压值
脉搏波是由心脏舒张与收缩导致血压、血流周期性变化，以及血管壁的弹性形变和震动在动脉系统中的传播而形成的，血压水平与脉搏波传导速度密切相关[4-5]。但有学者研究指出，对于不同受试者，脉搏波传导参数与血压之间较难建立统一的线性关系模型，需建立个体化参数模型进行测量[5]。目前测量脉搏波传导速度主要有3种方法：成像法、非成像法和光学法[6]。光学法以其成本低、无创性测量等特征而成为此类可穿戴设备的首选技术。
利用脉搏波传导速度测量血压基本原理是通过光电传感器结合数据分析系统进行测量，得到物理参数与血压关系的数学模型，模型需先经过校准并得到校准参数。基于校准参数，再根据脉搏波的波形参数，通过对模型公式的计算可以得到每个心动周期下的动脉血压值。
1.2 通过桡动脉扁平张力确定血压值
对骨骼附近的体表动脉施加外压时，这部分体表动脉会呈扁平状态并具备刚性表面性质，此时作用于该表面的外力与体表周围的动脉压力近似成正比。因此可以通过安置于体表动脉部位的压力传感器来测量压力，通过动脉压力的变化波形、动脉搏动的最大及最小信号来计算血压值[7]。该法适用于测量接近骨组织的浅表动脉，由于桡动脉血管管腔直径较大且更方便被测量，因此多以测量桡动脉血压为主。近年来有学者研发出一种利用该原理连续测量桡动脉血压的腕带测量设备。其基本原理，见图1[8]。
图1 利用桡动脉搏动确定血压的基本原理
1.3 通过搏动血液容积变化确定血压值
血液受心脏周期性搏动的影响，其对光的衰减和吸收呈现周期性波动，利用此原理可以实现光信号到电信号的转变。光电容积描记法是一种基于以上原理的生物医学传感器技术，通过实时描记被测部位的光吸收量来获取外周微血管的血液容积随心脏搏动而产生的脉动性变化[9]。虽然这种方法可以体现出血液容积的变化，但是生理或病理性原因导致的血管顺应性的改变会使测量结果出现偏差，因此该方法还需要测定其他的生理参数，对血压值进行进一步校准才能满足测量准确性的要求。
1.4 通过测振法来确定血压值
此方法通过充气袖带局部加压来检测血液碰撞血管壁时产生的振动，进而计算出血压值。其基本过程如下：袖带进行充气，当压力达到设定值时停止充气；充气袖带慢速放气，此时压力传感器记录脉搏振动幅度并将压力信号转变为电信号；电信号经过放大、过滤，根据连续变化的脉动压幅值，可准确测量动脉平均压，计算后可得到收缩压与舒张压的数值。
2 应用领域
高血压治疗策略是指降低患者的舒张压与收缩压水平，从而防治脑血管疾病、中风、靶器官损害等威胁生命的并发症[10]。鉴于此策略，可穿戴血压测量设备的应用可以分为以下几方面。
2.1 预测心血管事件
研究表明，高血压患者的夜间血压下降率和心血管事件的发生率呈线性负相关，夜间血压下降率减弱5%，发生心血管事件的概率会上升20%，而且夜间血压持续不下降提示存在继发性高血压的可能[11]。可穿戴血压测量设备既可以监测人体实时血压，也可以将机体的血压波动情况及昼夜节律变化通过无线网络传输至智能手机等终端供医生查看，这为预测心血管事件提供了非常便利的方法。
2.2 预防肾脏功能损害
高血压是加速肾功能恶化的首要危险因素。血压昼夜节律的改变，包括24 h平均血压升高和血压晨峰现象均与肾损害相关。血压晨峰是指高血压患者清晨醒后血压值急剧上升的现象，其与靶器官损害有着紧密的联系[12]。医生可以通过可穿戴血压监测设备分析患者血压昼夜节律的变化并评估其风险，尽早发现患者血压等指标的异常变化，同时选择合适的治疗方案进行治疗，延缓肾损害的进程。
2.3 设计个体化治疗方案
使用可穿戴血压监测设备可以准确及时地了解高血压患者的血压变化规律，并由此选择适合的降压药物，有助于设计并实施高血压个体化治疗方案。可穿戴血压测量设备能更全面地观察患者服用降压药后的血压变化，帮助医生了解药物针对不同患者起效的时间与强度，判断当前给药方案是否适合于患者，避免其在血压低时继续服用降压药，保障患者安全。
3 国内外的研究与应用现状
近年来可穿戴血压测量设备在国内外发展迅速，依据其结构大体可分为袖带式和无袖带式两种，其中袖带式可穿戴血压测量设备因其较强的抗干扰性和可靠性成为可穿戴血压测量设备的主流形式。目前袖带式可穿戴血压测量设备已得到广泛的应用，如美国Qardio公司研发的QardioArm血压计，日本欧姆龙株式会社的上臂式及手腕式电子血压计，九安医疗的iHealth系列血压计等。这类设备不仅便携性强，还可以通过蓝牙或Wi-Fi连接智能手机传输数据并生成血压变化记录表，让使用者更好地了解自身的血压状况。
目前无袖带式血压测量设备基本处于实验研发阶段，尚未大规模投入市场。2007年美国麻省理工学院McCombie等[13]开发出了一种佩戴在手腕与手指上的可穿戴血压测量计，通过三维加速度传感器对手臂不同位置的血压数值进行校正，血压测量精度较高。2015年，Thomas等[14]研发出一种基于光电容积描记原理的可穿戴血压测量设备，由传感器收集心电图和光电容积描记信号并推导出脉搏传导时间，再进行回归分析求出收缩压与舒张压数值。近年来，中国学者也开展了该类血压测量设备的研究，重庆邮电大学的王普领等[15]研发了一种头戴式血压测量设备，通过测量人体头部心电信号和利用反射式光频转换器测量额头部脉搏波信号，根据脉搏波延迟法进行血压测量。
4 存在的问题
4.1 测量精度
如何确保监测数据的准确性和数据分析的可靠性，是可穿戴血压测量设备面临的技术难题。与传统的血压测量计不同，可穿戴血压测量设备大多是通过获取人体各种生理信号间接计算血压值，因此生理信号传感器的采集精度、灵敏度与血压算法及校验方法决定了该类设备的适用性。
4.2 状态识别
目前可穿戴血压测量设备大多只能在人体处于某一特定的状态下使用，难以监测不同的运动状态和佩戴姿势对血压水平的影响，因此不能区分生理性和病理性血压水平变化。有学者提出了多传感器联合应用的技术手段，为根据监测对象所处的具体情景而提供更准确、实时的监测带来了一种新的思路，也为在人体不同状态的基础上对血压水平做出正确的识别提供了研究方向[16]。
4.3 设备功耗
可穿戴血压测量设备工作时会处于高频度的计算和通信状态，由于其体积较小，难以装载高容量的电池，电源使用管理等电池技术逐渐成为该类设备面临的主要技术问题和性能瓶颈[17]。当前的可穿戴医疗设备还局限于小范围内的监测使用，主要原因就是传感器和无线传输技术的功耗水平还没有达到理想的状态。
目前降低可穿戴设备功耗水平有两种研究方向：“开源”和“节流”。如设计低功耗集成电路、研究降频与降压低功耗等技术，实现“节流”；开发高性能电池技术，借助高性能高密度的新型电池材料实现电池技术的突破，实现“开源”。随着纳米材料在太阳能电池领域的应用，太阳能电池目前正面向提高光电转换率和输出功率的方向发展，未来有希望作为可穿戴设备的电源使用，提高其续航能力[18]。
4.4 用户隐私
可穿戴血压测量设备会涉及到用户的隐私问题，如个人信息和健康情况等数据需要通过无线网络传输，而网络具有开放性、交互性、共享性等特征，使得其在数据传输过程中的数据暴露的环节增多[19]。如何保证其测量的数据只能对用户个人和监护医生开放，如何在数据传输过程中采用加密和授权机制都是亟待解决的问题。
5 结论与展望
近年来，可穿戴设备广泛地获得科技公司、设备制造商及消费者等各方关注[20]。可穿戴血压测量设备的出现为高血压患者的日常血压监测带来了便利，它可以在不影响用户正常生活的前提下实时监测血压，在疾病早期发现与疾病管理等方面有着非常广阔的应用前景。
2014年8月，国际电气与电子工程师协会（IEEE）通过了“可穿戴血压测量设备（无袖带式）标准”。该标准可指导用户对产品进行选择和评价，为产品制造商提供了提高及检验其技术的参考，也为专业人士设计该类设备的测试方案提供了方向[21]。
IEEE新标准的发布对可穿戴血压测量设备的准确性进行了规范，为消费者选购合适的产品提供了参考标准。随着可穿戴血压测量设备的广泛应用，必将能够实现高血压的早发现、早诊断和早治疗，整体降低个人和社会的医疗成本，真正实现移动医疗的核心价值。
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Research and Application Progress of Wearable Blood Pressure Monitoring Device
Abstract：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.
Key words：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
[中图分类号]R443
[文献标识码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.12.019
[文章编号]1674-1633(2016)12-0077-03
收稿日期：2015-12-12
修回日期：2015-12-21