連續(xù)血壓（BP）監(jiān)測對心血管健康至關(guān)重要，但現(xiàn)有的血壓傳感器受限于依賴袖帶的設(shè)計而難以實現(xiàn)連續(xù)血壓監(jiān)測。無袖帶的替代方案仍存在佩戴不適和測量不連續(xù)的問題。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的研究團(tuán)隊提出了一種可穿戴高光譜光電容積脈搏波（HS-PPG）傳感系統(tǒng)，用于實現(xiàn)連續(xù)且無感的血壓監(jiān)測。該HS-PPG傳感系統(tǒng)集成了一種超薄、高分辨率的雙折疊固體浸沒光柵微型光譜儀（DFSIG-μSPEC）與白光LED光源。DFSIG-μSPEC在550–800 nm的工作范圍內(nèi)的平均光譜分辨率為3.4 nm。HS-PPG傳感系統(tǒng)的體積僅為8 mm × 16 mm × 24 mm，適合腕部可穿戴配置。
PPG波形包含50個光譜帶，可實現(xiàn)小動脈脈搏波傳導(dǎo)時間（aPTT）的精確測量。舒張壓（DBP）和收縮壓（SBP）分別通過雙元素Windkessel模型估算，其R值分別為0.92和0.96，平均絕對差（MAD）分別為1.20和0.40 mmHg。此外，在運動誘發(fā)性高血壓條件下，血壓可與心率（HR）和呼吸交換比（RER）一起進(jìn)行連續(xù)測量。收縮壓的連續(xù)監(jiān)測在血流動力學(xué)變化時可立即響應(yīng)，并在運動和恢復(fù)期間顯示收縮壓、心率和呼吸交換比的生理參數(shù)。可穿戴HS-PPG傳感系統(tǒng)在實現(xiàn)高保真、連續(xù)血壓監(jiān)測方面展現(xiàn)出了巨大潛力。上述研究成果以“Wearable Hyperspectral Photoplethysmography Allows Continuous Monitoring of Exercise-Induced Hypertension”為題發(fā)表于Advanced Science期刊。
HS-PPG傳感系統(tǒng)由超薄DFSIG-μSPEC和白光LED（圖1a）構(gòu)成。DFSIG-μSPEC基于固體浸沒光柵（SIG）結(jié)構(gòu)，用于光的色散。在白光LED照射下，DFSIG-μSPEC可連續(xù)測量從血管層反射的不同波長的PPG波形。反射光首先通過一個硅微狹縫進(jìn)入，隨后經(jīng)由SIG進(jìn)行色散，最后由CMOS線陣傳感器捕獲。兩個平面鏡之間的多次反射有效延長了光路，同時顯著減小了微型光譜儀的整體厚度。測得的HS-PPG波形被逐步積累為一個時間序列的光譜數(shù)據(jù)集，從而能夠計算出高度對齊且連續(xù)的aPTT值。
圖1 使用具有DFSIG-μSPEC的可穿戴PPG傳感器進(jìn)行連續(xù)血壓監(jiān)測示意圖
研究人員對DFSIG-μSPEC在其工作波段內(nèi)的光譜分辨率進(jìn)行了評估（圖2）。光譜分辨率和光學(xué)靈敏度是通過輸出光譜計算得出的（圖2b）。定量分析結(jié)果顯示，平均光譜分辨率為3.4 nm，相對靈敏度超過最大值的60%。值得注意的是，DFSIG-μSPEC能夠測量白光LED的連續(xù)發(fā)射光譜，以及588、633、675 和785 nm LED的窄帶輸出光譜，其結(jié)果與傳統(tǒng)光譜儀幾乎一致（圖2c和2d）。此外，DFSIG-μSPEC還測量了手腕皮膚的漫反射光譜（圖2f）。反射光譜在工作波段內(nèi)表現(xiàn)出相似的光譜特性，進(jìn)一步凸顯了該微型光譜儀在血壓估算方面的高分辨率性能。
圖2 DFSIG-μSPEC的光譜分辨率
完整的血壓估算流程基于簡化的血管層模型（圖3a）。光線穿過表皮、真皮和皮下組織等血管層，并被血管中的血液吸收。系統(tǒng)性血管阻力（SVR）作為衡量血流阻力的指標(biāo)，在不同血管層之間存在差異。采用一個具有不同SVR值的簡化血管模型，根據(jù)計算得到的平均動脈壓（MBP）和脈壓（PP）來估算收縮壓和舒張壓。
圖3 用于連續(xù)血壓估算的HS-PPG波形測量
基于正常血壓受試者，研究人員采用袖帶式血壓傳感器和HS-PPG傳感系統(tǒng)進(jìn)行了血壓估算性能評估（圖4）。測量結(jié)果顯示，HS-PPG傳感系統(tǒng)估算的舒張壓和收縮壓與袖帶式血壓傳感器測得的參考血壓值高度一致，兩者的R值分別為0.92和0.96，MAD分別為1.20和0.40 mmHg。此外，短期和長期穩(wěn)定性確保使用HS-PPG傳感系統(tǒng)能夠進(jìn)行精確的血壓估算，而無需頻繁校準(zhǔn)。
圖4 正常血壓狀態(tài)下血壓測量的比較分析
在運動誘發(fā)性高血壓（EIH）條件下，研究人員利用可穿戴HS-PPG傳感系統(tǒng)對連續(xù)血壓監(jiān)測進(jìn)行了進(jìn)一步評估（圖5a）。每位受試者（共10名無心血管疾病的正常血壓個體）均配備了袖帶式血壓傳感器、HS-PPG傳感器、心率傳感器和呼吸量熱儀。臨床實驗分為三個階段，每個階段持續(xù)10分鐘：休息（運動前）、攀爬運動、恢復(fù)（運動后）。在整個連續(xù)階段中，同時監(jiān)測收縮壓、心率和呼吸交換比（圖5b）。收縮壓在運動期間顯著升高，隨后在恢復(fù)期下降。HS-PPG傳感器可持續(xù)追蹤收縮壓的動態(tài)變化，與傳統(tǒng)血壓傳感器的測量值高度一致，且能在運動過程中有效監(jiān)測收縮壓，此時傳統(tǒng)血壓傳感器常受到運動偽影干擾。值得注意的是，參考收縮壓與HS-PPG估算收縮壓之間的相關(guān)性表現(xiàn)出很強(qiáng)的線性，所有連續(xù)階段的R值為0.95，MAD為3.80 mmHg（圖5c）。Bland–Altman圖也顯示出平均估算誤差為0.98 mmHg，置信區(qū)間為95%，表明參考值與估算值之間高度吻合（圖5d）。
圖5 血流動力學(xué)變化期間的連續(xù)血壓監(jiān)測
綜上所述，這項研究成功展示了一種用于連續(xù)監(jiān)測運動誘發(fā)性高血壓的可穿戴HS-PPG傳感系統(tǒng)。該HS-PPG傳感系統(tǒng)采用具有高光譜分辨率的DFSIG-μSPEC，利用固體浸沒光柵在550–800 nm的寬工作波長范圍內(nèi)進(jìn)行測量。DFSIG-μSPEC的平均光譜分辨率為3.4 nm，相對靈敏度超過最大值的60%。HS-PPG傳感系統(tǒng)將DFSIG-μSPEC和白光LED集成于一個腕部可穿戴設(shè)備中，能夠采集HS-PPG波形并精確計算aPTT，隨后利用雙元素Windkessel模型對血壓水平進(jìn)行估算。通過HS-PPG進(jìn)行的連續(xù)血壓監(jiān)測能夠提供有價值的心血管信息，詳細(xì)呈現(xiàn)運動及恢復(fù)過程中的收縮壓等生理參數(shù)。總之，這一可穿戴光學(xué)平臺有望提升醫(yī)療資源效率、降低醫(yī)療成本，并推動精準(zhǔn)醫(yī)療與主動數(shù)字健康的發(fā)展。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/advs.202417625
