基于一种超低成本的家用血压监测方案

据麦姆斯咨询报道，近日，美国加州大学圣地亚哥分校（UC San Diego）的研究团队在Scientific Reports期刊上发表了题为“Ultra-low-cost mechanical smartphone attachment for no-calibration blood pressure measurement”的论文，提出了一种超低成本的家用血压监测方案，利用一种弹簧支撑装置的塑料“夹子”使得带有LED闪光灯和摄像头的智能手机能够测量血压。本文提出的手机附件“BPClip”系统利用示波法在指尖测量血压，无需针对每个用户进行校准。

高血压——定义为收缩压（SBP）≥ 130 mmHg和/或舒张压（DBP）≥ 80 mmHg，在美国影响着45%以上的成年人，其患病率随着年龄的增长而增加，是就诊和使用慢性处方药的最常见病因。高血压仍然是全球过早死亡和残疾的主要原因（可预防），每年造成近800万人死亡，预计到2025年，高血压将增加60%，影响全球16亿成年人。

低成本血压（BP）监测仪可以产生重大影响的关键领域是低收入和/或弱势群体。这些群体往往在获得医疗保健服务方面面临障碍，这可能导致缺乏预防保健并增加患高血压等慢性病的风险。为此，研究人员开发了一些新的方法使血压监测更容易获得和负担得起，以使血压可在传统诊所之外进行测量，还可以促进以社区为基础的高血压管理方法，这些方法被证明对弱势群体有效。

本项研究工作提出了一种超低成本的家用血压监测方案，利用弹簧支撑装置的塑料“夹子”使得带有LED闪光灯和摄像头的智能手机能够测量血压。所提出的系统被称为BPClip，其科学原理是利用示波法在指尖测量血压。为了使智能手机能够测量施加在手指动脉上的压力，当用户加大力度按下夹子时，一个可移动的针孔投影会向摄像头靠近。当用户以更大的力按压设备时，弹簧支撑装置会压缩。因此，针孔的大小可以对施加到指尖的压力进行编码。同时，针孔投影的亮度波动与动脉脉搏振幅相关。通过利用内置摄像头捕捉针孔投影的大小和亮度，智能手机只需一个低成本的塑料夹子和一个应用程序（App）就可以测量用户的血压。

与之前的方法不同，与基于脉搏传输时间和脉搏波分析的血压监测解决方案相比，该系统不需要进行用户特定校准的血压袖带测量。该解决方案也不需要配备定制传感器的特种智能手机。早期的可行性研究表明，在一项有N = 29名收缩压范围在88至157 mmHg的参与者的验证研究中，BPClip系统对收缩压和舒张压的平均绝对误差（MAE）分别为8.72和5.49。在一项成本估算研究中，在1000个单位的小批量制造中，研究人员证实材料成本为0.80美元，这表明在大规模量产时，与现有的基于袖带的血压管理监测仪相比，提出的BPClip系统可以以非常低的成本生产。

与传统的基于袖带的自动血压监测仪类似，提出的BPClip系统利用示波法测量血压。因此，BPClip系统不需要针对每个用户进行校准。示波法根据动脉周围外部压力变化时每次心跳的血容量振荡变化来计算血压。通常情况下，自动血压监测仪在利用压力传感器感知压力和血容量振荡的同时，对动脉施加越来越大的外部压力（图1A）。图1B是使用典型的自动袖带设备收集的数据示例。脉搏图的包络形状构成了一个振荡图，并被用于计算血压。

图1 系统概述：使用指尖示波法计算血压

在基于智能手机夹子的BPClip系统中，研究人员利用任意现代智能手机上都可以找到的硬件和计算能力，通过将3D打印附件安装到智能手机的摄像头上，利用示波法测量血压。使用BPClip时，用户左手水平握住手机，并用右手食指按下弹簧夹子（图1C）。然后，用户根据自定义智能手机用户界面的提示，将手指施加的力调整为一系列不同的大小（图1D）。施加在指尖上的压力是根据弹簧支撑附件在被压缩时的位移来计算的，这反映在智能手机摄像头图像上的圆形针孔投影的大小上（图1D）。在较高的施加压力下，针孔更靠近摄像头，从而形成更大的投影。血容量振荡通过针孔投影的亮度进行检测。

BPClip由一个智能手机附件和一个安卓（Android）应用程序组成。3D打印的附件包括一个固定在手机上的底座夹、一个手指按压的可移动按压平台和一个夹在中间的压缩弹簧（图2）。

图2 原型组件图：硬件原型的详细信息

使用BPClip时，用户将手机左手横持，右手食指放在突起处，右手拇指放在夹子的基座上。为确保摄像头能够通过针孔检测到来自掌弓横动脉的光电容积脉搏波（PPG）信号，用户将指甲根部与距离夹子中心2 mm的凹口对齐，并将手指的长度方向与夹子的长轴平行对齐（图3A）。为了消除流体静力效应，用户需将手机保持在心脏水平高度，双腿不交叉，并在整个测量过程中保持直立姿势，类似于使用基于袖带的血压测量的标准协议（图3B）。用户在屏幕上可视化指示的指导下，逐步增加施加在BPClip上的压力（图3C）。

图3 使用BPClip系统测量血压的操作说明

本文提出的方法的一个关键是超低成本的设计。由于该装置仅依靠弹簧进行力感应，并采用无透镜光学设计与智能手机配对，因此该BPClip仅需要可大规模制造的机械部件。目前，在1000个单位的小批量制造中，每个BPClip系统的材料成本都低于1美元。即使在小批量的情况下，BPClip系统也比任意商业血压监测仪便宜得多。由于大部分成本来自3D打印塑料，该成本将随着注塑成型和批量部件成本的降低而显著降低。

研究人员通过收集24名收缩压在80-156 mmHg之间、舒张压在57-97 mmHg之间的用户的数据对BPClip的精度进行了验证。图4显示了收缩压、平均血压和舒张压测量值的相关性和Bland-Altman图。BPClip测量的收缩压、平均压和舒张压的平均绝对误差分别为8.7 ± 10.0、8.4 ± 10.3和5.5 ± 7.0 mmHg，偏差分别为1.72、0.79和0.3 mmHg。

图4 BPClip血压测量的精度

因为使用BPClip需要用户的主动交互，所以研究人员分析了用户完成一次测量所需的时间。每个测试花费的时间是根据每个参与者的元数据（metadata）计算的。如果用户在每个级别上都不重复测量，并且每个级别需要7秒，那么用户完成一次测量的最短可能时间约为140秒。

综上所述，本研究提出了一种使血压监测大众化的解决方案，该方案利用一种超低成本的只需几美分即可大规模生产的塑料“夹子”将智能手机（即使是便宜的千元机）摄像头转化为血压监测仪，目前原型的材料成本在小批量制造时不到1美元，但如果大规模量产，预计血压监测仪的成本将会更低。
        责任编辑：彭菁