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【医疗电子技术-7.1】动态血压测量技术

news 来源：原创 2025/6/15 14:10:44

一、血压测量背景

1、血压测量的意义：从临床监护到数字健康入口

（1）慢病管理核心指标

（2）急性病情判断依据

（3）智能医疗与远程监护的切入点

2、什么是血压？——从生理定义到测量参数的标准化

（1）血压的定义与表示方式

（2）血压的测量标准与位置

（3）正常值范围（以成年人为例）

3、血压的产生机理：生理系统中的力学与控制论

（1）心脏作为“泵”的压力源

（2）血管系统的“阻力与缓冲”

（3）神经-体液调控系统

4、血压测量的发展历程：从听诊法到AI建模

（1）柯氏音法（Korotkoff Method）——经典听诊原理

（2）示波法（Oscillometric Method）——家用血压计核心技术

（3）穿戴式测量与PTT法

（4）无创连续血压测量

（5）AI算法支持的动态估压系统

二、有创血压测量方法

1、早期发展历史（Early History of Invasive Blood Pressure Measurement）

（1）1733年：Stephen Hales 的马血实验

（2）1847年：Carl Ludwig 发明血流描记仪（Kymograph）

（3）Etienne Jules Marey：脉搏搏动研究

2、临床可用的侵入式方法（Invasive Methods for Clinical Use）

（1）1949年：Peterson 等人临床可用的动脉导管监测法

（2）插管部位选择与临床应用

三、无创血压测量方法

1、柯氏音法（听诊法）

2、示波法（主流监护仪技术）

3、动脉张力法（桡动脉监测）

4、恒定容积法（血管无负荷法）

5、前四种方法对比

6、脉搏波法

（1）核心原理

（2）技术分类与实现方式

2.1 容积补偿法（恒定容积法）

2.2 平面压力法（动脉张力法）

2.3 脉搏波传导时间法（PWTT）

（3）关键技术图示解析

（4）临床优势与挑战

（5）前沿进展

（6）总结

四、新型血压测量设备

1、可穿戴超声血压监测

2、智能手机集成方案

3、多模态可穿戴设备

4、无袖带技术革命

5、柔性电子技术

6、技术瓶颈与突破方向

7、总结：未来五年演进路径

五、本团队血压测量技术

一、血压测量背景

1、血压测量的意义：从临床监护到数字健康入口

血压是反映人体心血管功能最直观、最具敏感性的生理信号之一。其临床意义主要体现在以下几个层面：

（1）慢病管理核心指标

高血压是心脑血管疾病（如脑卒中、冠心病）、肾功能衰竭等慢性病的重要危险因素。
血压的日常测量可帮助患者自我监控、记录、判断治疗方案的效果，并对并发症起到预防作用。

（2）急性病情判断依据

急性低血压（如失血性休克、感染性休克）常是危重症最早的生理预警信号。
血压异常波动是手术麻醉管理、急救医学中必备的判断参数。

（3）智能医疗与远程监护的切入点

随着智能血压计、可穿戴设备的普及，血压测量不仅是医疗场景中的被动记录工具，更是远程健康管理、慢病云平台的“入口信号”。

有一句话非常精辟地概括：“以点测压，窥全身之态；以波寻因，导诊断之策。”——血压虽是局部指标，却常常揭示系统性病理。

2、什么是血压？——从生理定义到测量参数的标准化

（1）血压的定义与表示方式

血压（Blood Pressure）是血液流动时对血管壁施加的压力，常以单位面积上的压力（mmHg）表达。
通常分为两项：
- 收缩压（SBP）：心脏收缩时产生的高峰值压力；
- 舒张压（DBP）：心脏舒张时的最低压力。

同时引出第三项参数：

平均动脉压（MAP）：是衡量组织器官灌注的重要生理量，其估算公式为：
$MAP = DBP + \frac{1}{3}(SBP - DBP)$

（2）血压的测量标准与位置

常规测量部位为肱动脉（上臂），其数据最能代表主动脉压力状态；
PPT特别提到：手指测量虽方便，但受周边血管收缩、温度影响大，误差较高；
此处配图展示了不同测量位置的示意图，说明电子血压计设计时如何选择适配部位。

（3）正常值范围（以成年人为例）

参数	正常值
SBP（收缩压）	90–140 mmHg
DBP（舒张压）	60–90 mmHg
MAP	70–105 mmHg

3、血压的产生机理：生理系统中的力学与控制论

血压的生理形成过程具象化，涉及三个主要环节：

（1）心脏作为“泵”的压力源

心脏周期包括收缩（systole）与舒张（diastole）两个阶段；
在收缩期，左心室将血液射入主动脉，动脉压力上升形成SBP；
舒张期，心脏放松，血液继续靠血管弹性流动，此时动脉压力下降至DBP；
图示中用动画展示压力波在主动脉上的传播。

（2）血管系统的“阻力与缓冲”

主动脉及大动脉具有良好弹性，可“吸收”血压波峰，维持较为平稳的血流；
外周小动脉决定了血液回流的阻力，是DBP高低的重要决定因素；
动脉硬化时，弹性降低，导致SBP上升、脉压增宽。

（3）神经-体液调控系统

交感神经兴奋：血管收缩、心率加快 → 血压上升；
肾素-血管紧张素系统（RAAS）激活：促进水钠潴留 → 血容量增加；
**血管活性物质（如NO、肾上腺素）**调节血管张力；
这部分图中结合了“体循环血压调节简图”，体现血压调节是一个反馈系统。

4、血压测量的发展历程：从听诊法到AI建模

血压测量技术的发展路径。将其梳理为五大阶段：

（1）柯氏音法（Korotkoff Method）——经典听诊原理

由俄罗斯医生Korotkoff于1905年提出；
使用水银柱血压计+听诊器；
随着袖带放气，血流重现，在肱动脉产生声音（柯氏音）：
- 第一声出现 = 收缩压；
- 声音消失 = 舒张压；
这是现代血压测量的“金标准”，但对操作者技能依赖高，难以自动化。

（2）示波法（Oscillometric Method）——家用血压计核心技术

工作原理：检测袖带压力在放气过程中随脉搏的微小振动；
核心器件：
- 压力传感器；
- MCU（控制器）；
- 数据采集与滤波电路；
示波图像呈现一个振荡“包络”，最大振幅点代表MAP，算法反推SBP和DBP；
PPT中详细列出了测量流程与传感器电路图。

（3）穿戴式测量与PTT法

无需袖带，利用ECG+PPG信号延迟（Pulse Transit Time）估算血压；
更适合连续监测，如智能手环、手表等场景；
PPT中配图展示了PPG与ECG波形叠加，标出时间差。

（4）无创连续血压测量

利用光、电、声、毫米波等传感手段；
基于大数据回归算法进行血压建模；
趋势：非接触、连续化、个体化建模。

（5）AI算法支持的动态估压系统

利用深度神经网络对波形特征（如PWV、HRV、脉搏波形形状等）做拟合；
实现跨人群、跨环境的自适应建模；
成为“无袖带、无创、无感”的未来趋势。

二、有创血压测量方法

1、早期发展历史（Early History of Invasive Blood Pressure Measurement）

这部分主要描述了18~19世纪科学家如何在没有现代技术条件下，通过机械与物理原理率先探测血压波动的尝试。涉及三位关键人物：Stephen Hales、Carl Ludwig 与 Etienne Jules Marey。

（1）1733年：Stephen Hales 的马血实验

实验方式：Hales使用一根细长的玻璃管插入马的动脉，并观察玻璃管中血液柱的高度变化。
科学意义：
- 第一次量化了动脉收缩压的变化，可视化了血压。
- 明确了放血对动脉压的影响，是现代血压研究的起点。
原理：血液压力推动液柱上升，液柱的高度间接表示血压的数值。

这可以看作是生理压力测量的最原始形式，本质是将血管内压转化为机械位移。

（2）1847年：Carl Ludwig 发明血流描记仪（Kymograph）

原理：利用旋转的圆筒记录动脉压力的连续振荡，从而形成血压波形。
革新点：
- 实现了“连续”而不是“点状”的血压测量；
- 是现代波形监测技术的雏形；
- 图谱形式大大提高了血流动力学研究的可视化水平。

这是从定量向动态分析的跃迁，标志着血压研究走向仪器化、记录自动化。

（3）Etienne Jules Marey：脉搏搏动研究

技术进步：
- 开发出更简单、准确的设备，将脉搏搏动的检测与图谱记录结合；
- 做出第一个关于动脉脉搏搏波的系统研究。
科学意义：
- 强调了脉搏波的传播特性，是后续分析“脉搏波速度”、“脉搏波反射”等复杂生理参数的基础。

他推动了血压测量从“压力值”走向“波形分析”的深入阶段。

2、临床可用的侵入式方法（Invasive Methods for Clinical Use）

这一部分重点讲述的是现代医院中真正可用于重症监护、外科手术的临床侵入式血压测量技术，核心时间节点是1949年。

（1）1949年：Peterson 等人临床可用的动脉导管监测法

技术原理：
- 通过插入动脉导管（如图左所示），连接充满液体的高压塑料导管；
- 导管与压力传感器连接，实时传输血压波形到监护系统；
- 可显示精细的血压图形（如图中的 BP 波形图）。
革命性创新：
- 是第一种真正可用于病人的有创连续血压监测方法；
- 提供每搏血压变化的信息，比传统袖带式方法精度更高；
- 推动了ICU监护与麻醉监测的标准化。

（2）插管部位选择与临床应用

常见部位：
- 外周动脉：如桡动脉（手腕）、尺动脉、腘动脉、胫动脉、股动脉；
- 中心动脉：如主动脉根部；
方式：
- 经皮插管是最常用的方法之一，操作相对简便；
临床应用场景：
- 手术室、重症监护室；
- 适用于血流动力学不稳定的危重患者，如严重休克、心脏手术、复杂麻醉手术等。

三、无创血压测量方法

1、柯氏音法（听诊法）

维度	内容
原理	袖带加压阻断动脉血流 → 缓慢放气 → 通过听诊器捕捉柯氏音（血流冲击血管壁的声音）
关键点	- 收缩压：首次出现柯氏音时的压力 - 舒张压：柯氏音消失时的压力
地位	临床金标准（需专业操作）
图示要点	袖带压与柯氏音强度关系图，明确收缩压/舒张压定位点
局限性	依赖操作者经验，环境噪音易干扰测量

2、示波法（主流监护仪技术）

维度	内容
原理	袖带加压→检测动脉搏动振荡波 → 计算血压 - 直接测量值：平均动脉压（MAP） - 推算值：收缩压（SBP）、舒张压（DBP）
计算逻辑	基于人群统计公式： - SBP ≈ MAP × 1.5 - DBP × 0.5 - DBP ≈ (MAP - SBP/3) × 2
优势	自动化操作，适用于连续监测
误差范围	符合AAMI标准：允许±5~8 mmHg偏差（对比柯氏音法）
局限性	心律失常患者误差增大

3、动脉张力法（桡动脉监测）

维度	内容
原理	外力压迫桡动脉 → 当血管壁应力=外部压力时，测得实时动脉压波形
优点	- 非侵入性连续记录脉搏波形 - 直观反映血压动态变化
缺点	- 传感器定位难度高 - 需频繁校准 - 手腕姿势影响精度（难长时间固定）
适用场景	短期动态血压监测（如手术中）

4、恒定容积法（血管无负荷法）

维度	内容
原理	核心：维持血管恒定容积状态 1. 预设参考压（≈平均压）使动脉去负荷 2. 伺服系统实时调整外压，抵消血压波动
技术实现	手指袖带集成： - LED/光敏二极管（PPG检测血流） - 高速压力阀（毫秒级响应）
优势	连续无创测量动脉波形（接近有创动脉置管精度）
临床价值	动态观察每搏血压变化（如药物效果评估）

5、前四种方法对比

关键技术对比

方法	测量原理	直接输出	优点	缺点
柯氏音法	声音识别	SBP/DBP	金标准	依赖人工操作
示波法	振荡波分析	MAP（推算SBP/DBP）	自动化、普及度高	公式推算存在误差
动脉张力法	血管应力平衡	连续波形	波形直观	定位难、需校准
恒定容积法	伺服控制维持血管容积	连续波形	精度高、动态监测	设备复杂、成本高

6、脉搏波法

（1）核心原理

脉搏波（Pulse Wave） 是心脏收缩时血液冲击动脉壁形成的压力波动信号。脉搏波法通过捕捉该波形的形态特征与传播速度，建立与血压的数学模型：

（2）技术分类与实现方式

2.1 容积补偿法（恒定容积法）

原理：
伺服系统动态调整袖带压力，使血管壁始终维持恒定容积状态（外压=动脉内压）。
关键组件：
- 光电传感器 (PPG)：LED发射红外光 → 光敏二极管接收血流容积变化信号
- 高速压力阀：毫秒级响应，实时抵消血压波动（如图示手指袖带控制系统）
优势：
≈ 有创动脉压监测精度（误差<±5 mmHg），可连续输出动脉压力波形

2.2 平面压力法（动脉张力法）

原理：
在浅表动脉（如桡动脉）施加横向压力，当血管壁应力=外部压力时获取脉搏波形。
传感器定位：
- 需精确对准动脉中心（图示腕部桡动脉解剖位置）
- 压力传感器阵列降低定位难度
局限：
体位变动导致信号漂移，需每30分钟校准

2.3 脉搏波传导时间法（PWTT）

原理：
利用心电R波到脉搏波起点的时间差（PWTT）推算血压：
设备：
同步采集ECG+PPG（如智能手环）

（3）关键技术图示解析

图示类型	要素解析
动脉波形图	标注特征点： - 主波（收缩压） - 潮波（动脉弹性） - 重搏波（主动脉瓣关闭）
传感器定位图	桡动脉法：腕横纹近端2cm处按压指尖法：指甲床透射式PPG检测
伺服控制框图	反馈回路：PPG信号 → 控制器 → 压力阀调节 → 维持血管容积恒定

（4）临床优势与挑战

优势

连续监测：每搏血压动态变化（优于袖带间歇测量）
无创高精度：容积补偿法在ICU验证中与有创动脉压相关性达0.95以上
便携性：可集成于可穿戴设备（如胸贴式监测仪）

挑战

问题	解决方案
运动伪影	加速度计补偿算法 + 自适应滤波
个体差异	首次校准 + 人工智能动态修正系数
血管硬度影响	联合测量baPWV（臂踝脉搏波速度）校正

（5）前沿进展

毫米波雷达传感：
非接触式探测颈动脉搏动（适用于烧伤患者）
深度学习波形分析：
CNN算法从原始波形直接输出SBP/DBP（减少校准依赖）
多模态融合：
PPG+ECG+阻抗血流图 → 提升心力衰竭患者监测可靠性

（6）总结

脉搏波法正推动血压监测向连续化、可穿戴化、智能化演进：

短期临床价值：替代有创监测，降低导管相关感染风险
长期生态延伸：集成至智慧家居/车载系统，实现慢病预警
核心突破点：
抗运动干扰算法 + 免校准模型 将成为下一代设备竞争焦点

四、新型血压测量设备

1、可穿戴超声血压监测

核心原理

关键技术：
- 阵列传感器：多探头同步捕获血管横截面形变
- 直径-压力转换模型：
  $\Delta P = \frac{E \cdot h}{R_0} \cdot \frac{\Delta D}{D_0}$
  （E：血管弹性模量，h：壁厚，R0：初始半径）
优势：
直接测量深部动脉（如股动脉），精度接近有创监测

2、智能手机集成方案

工作流程

组件	功能	技术挑战
压力传感器	检测手指按压压力（示波法基础）	压力分布不均导致误差
PPG传感器	监测血流容积振荡 → 定位收缩/舒张压点	环境光干扰
可视化引导	实时压力曲线指导用户维持最佳按压力	用户操作依从性差异

局限：
当前精度（≈±10 mmHg）低于医用袖带设备

3、多模态可穿戴设备

传感器融合方案

设备类型	监测信号	血压关联算法
智能手表	反射式PPG+加速度计(SCG)	PWV(脉搏波速度)= $\frac{L}{PWTT}$ → 血压
智能体重秤	BCG(心冲击图)	J波幅值∝每搏输出量→MAP估算
手机摄像头	远程PPG(rPPG)	面部微血管搏动分析
指环	透射式PPG(指尖)	信号质量优于腕部

SCG/BCG物理基础：心脏射血引发身体微振动 → 加速度计捕捉波形特征点（如AO峰对应收缩压）

4、无袖带技术革命

四类新兴技术对比

技术	原理	代表设备	突破性
超声/电磁法	动脉磁场变化 → 血流速推算血压	霍尔传感器贴片	非接触测量（距皮肤5mm）
组织特征法	生物阻抗(EBI)+相位分析 → 血管容积反演	柔性电极纺织品	连续监测无机械压迫
机器学习驱动	多信号(PPG+ECG+SCG) → 端到端血压预测	智能手表AI算法	减少校准依赖
相移法	激光多普勒相位差 → 微血管脉动分析	微型激光探头	毛细血管级监测

5、柔性电子技术

创新载体与性能

载体形式	传感器类型	技术亮点	应用场景
智能服装	纺织电极(EBI/ECG)	透气可水洗 → 72小时连续监测	运动员训练
皮肤贴片	柔性PPG+压力阵列	超薄(0.1mm)贴合皮肤褶皱	老年居家监测
电子纹身	石墨烯压力传感器	拉伸率>200% → 关节部位适用	烧伤患者
环境集成	座椅/床垫压电传感器	睡眠中无感监测BCG	阻塞性睡眠呼吸暂停筛查

6、技术瓶颈与突破方向

精度瓶颈：
- 问题：运动伪影降低信噪比（尤其PPG）
- 解决：
  - 毫米波雷达替代光学传感器（抗抖动）
  - 联邦学习优化个性化模型
临床验证：
- 现状：多数设备仅通过AAMI标准（静态场景）
- 需求：开发动态活动验证协议（如6分钟步行测试）
功耗限制：
- 超声/电磁设备功耗>10mW → 续航<24小时
- 解决方案：
  - 超声芯片化：MEMS超声探头（功耗↓90%）
  - 事件驱动采样：仅当检测到脉搏时启动