據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校（UC San Diego）的研究團(tuán)隊(duì)在Scientific Reports期刊上發(fā)表了題為“Ultra-low-cost mechanical smartphone attachment for no-calibration blood pressure measurement”的論文，提出了一種超低成本的家用血壓監(jiān)測(cè)方案，利用一種彈簧支撐裝置的塑料“夾子”使得帶有LED閃光燈和攝像頭的智能手機(jī)能夠測(cè)量血壓。本文提出的手機(jī)附件“BPClip”系統(tǒng)利用示波法在指尖測(cè)量血壓，無(wú)需針對(duì)每個(gè)用戶(hù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

高血壓——定義為收縮壓（SBP）≥ 130 mmHg和/或舒張壓（DBP）≥ 80 mmHg，在美國(guó)影響著45%以上的成年人，其患病率隨著年齡的增長(zhǎng)而增加，是就診和使用慢性處方藥的最常見(jiàn)病因。高血壓仍然是全球過(guò)早死亡和殘疾的主要原因（可預(yù)防），每年造成近800萬(wàn)人死亡，預(yù)計(jì)到2025年，高血壓將增加60%，影響全球16億成年人。

低成本血壓（BP）監(jiān)測(cè)儀可以產(chǎn)生重大影響的關(guān)鍵領(lǐng)域是低收入和/或弱勢(shì)群體。這些群體往往在獲得醫(yī)療保健服務(wù)方面面臨障礙，這可能導(dǎo)致缺乏預(yù)防保健并增加患高血壓等慢性病的風(fēng)險(xiǎn)。為此，研究人員開(kāi)發(fā)了一些新的方法使血壓監(jiān)測(cè)更容易獲得和負(fù)擔(dān)得起，以使血壓可在傳統(tǒng)診所之外進(jìn)行測(cè)量，還可以促進(jìn)以社區(qū)為基礎(chǔ)的高血壓管理方法，這些方法被證明對(duì)弱勢(shì)群體有效。

本項(xiàng)研究工作提出了一種超低成本的家用血壓監(jiān)測(cè)方案，利用彈簧支撐裝置的塑料“夾子”使得帶有LED閃光燈和攝像頭的智能手機(jī)能夠測(cè)量血壓。所提出的系統(tǒng)被稱(chēng)為BPClip，其科學(xué)原理是利用示波法在指尖測(cè)量血壓。為了使智能手機(jī)能夠測(cè)量施加在手指動(dòng)脈上的壓力，當(dāng)用戶(hù)加大力度按下夾子時(shí)，一個(gè)可移動(dòng)的針孔投影會(huì)向攝像頭靠近。當(dāng)用戶(hù)以更大的力按壓設(shè)備時(shí)，彈簧支撐裝置會(huì)壓縮。因此，針孔的大小可以對(duì)施加到指尖的壓力進(jìn)行編碼。同時(shí)，針孔投影的亮度波動(dòng)與動(dòng)脈脈搏振幅相關(guān)。通過(guò)利用內(nèi)置攝像頭捕捉針孔投影的大小和亮度，智能手機(jī)只需一個(gè)低成本的塑料夾子和一個(gè)應(yīng)用程序（App）就可以測(cè)量用戶(hù)的血壓。

與之前的方法不同，與基于脈搏傳輸時(shí)間和脈搏波分析的血壓監(jiān)測(cè)解決方案相比，該系統(tǒng)不需要進(jìn)行用戶(hù)特定校準(zhǔn)的血壓袖帶測(cè)量。該解決方案也不需要配備定制傳感器的特種智能手機(jī)。早期的可行性研究表明，在一項(xiàng)有N = 29名收縮壓范圍在88至157 mmHg的參與者的驗(yàn)證研究中，BPClip系統(tǒng)對(duì)收縮壓和舒張壓的平均絕對(duì)誤差（MAE）分別為8.72和5.49。在一項(xiàng)成本估算研究中，在1000個(gè)單位的小批量制造中，研究人員證實(shí)材料成本為0.80美元，這表明在大規(guī)模量產(chǎn)時(shí)，與現(xiàn)有的基于袖帶的血壓管理監(jiān)測(cè)儀相比，提出的BPClip系統(tǒng)可以以非常低的成本生產(chǎn)。

與傳統(tǒng)的基于袖帶的自動(dòng)血壓監(jiān)測(cè)儀類(lèi)似，提出的BPClip系統(tǒng)利用示波法測(cè)量血壓。因此，BPClip系統(tǒng)不需要針對(duì)每個(gè)用戶(hù)進(jìn)行校準(zhǔn)。示波法根據(jù)動(dòng)脈周?chē)獠繅毫ψ兓瘯r(shí)每次心跳的血容量振蕩變化來(lái)計(jì)算血壓。通常情況下，自動(dòng)血壓監(jiān)測(cè)儀在利用壓力傳感器感知壓力和血容量振蕩的同時(shí)，對(duì)動(dòng)脈施加越來(lái)越大的外部壓力（圖1A）。圖1B是使用典型的自動(dòng)袖帶設(shè)備收集的數(shù)據(jù)示例。脈搏圖的包絡(luò)形狀構(gòu)成了一個(gè)振蕩圖，并被用于計(jì)算血壓。

圖1 系統(tǒng)概述：使用指尖示波法計(jì)算血壓

在基于智能手機(jī)夾子的BPClip系統(tǒng)中，研究人員利用任意現(xiàn)代智能手機(jī)上都可以找到的硬件和計(jì)算能力，通過(guò)將3D打印附件安裝到智能手機(jī)的攝像頭上，利用示波法測(cè)量血壓。使用BPClip時(shí)，用戶(hù)左手水平握住手機(jī)，并用右手食指按下彈簧夾子（圖1C）。然后，用戶(hù)根據(jù)自定義智能手機(jī)用戶(hù)界面的提示，將手指施加的力調(diào)整為一系列不同的大?。▓D1D）。施加在指尖上的壓力是根據(jù)彈簧支撐附件在被壓縮時(shí)的位移來(lái)計(jì)算的，這反映在智能手機(jī)攝像頭圖像上的圓形針孔投影的大小上（圖1D）。在較高的施加壓力下，針孔更靠近攝像頭，從而形成更大的投影。血容量振蕩通過(guò)針孔投影的亮度進(jìn)行檢測(cè)。

BPClip由一個(gè)智能手機(jī)附件和一個(gè)安卓（Android）應(yīng)用程序組成。3D打印的附件包括一個(gè)固定在手機(jī)上的底座夾、一個(gè)手指按壓的可移動(dòng)按壓平臺(tái)和一個(gè)夾在中間的壓縮彈簧（圖2）。

圖2 原型組件圖：硬件原型的詳細(xì)信息

使用BPClip時(shí)，用戶(hù)將手機(jī)左手橫持，右手食指放在突起處，右手拇指放在夾子的基座上。為確保攝像頭能夠通過(guò)針孔檢測(cè)到來(lái)自掌弓橫動(dòng)脈的光電容積脈搏波（PPG）信號(hào)，用戶(hù)將指甲根部與距離夾子中心2 mm的凹口對(duì)齊，并將手指的長(zhǎng)度方向與夾子的長(zhǎng)軸平行對(duì)齊（圖3A）。為了消除流體靜力效應(yīng)，用戶(hù)需將手機(jī)保持在心臟水平高度，雙腿不交叉，并在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中保持直立姿勢(shì)，類(lèi)似于使用基于袖帶的血壓測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（圖3B）。用戶(hù)在屏幕上可視化指示的指導(dǎo)下，逐步增加施加在BPClip上的壓力（圖3C）。

圖3 使用BPClip系統(tǒng)測(cè)量血壓的操作說(shuō)明

本文提出的方法的一個(gè)關(guān)鍵是超低成本的設(shè)計(jì)。由于該裝置僅依靠彈簧進(jìn)行力感應(yīng)，并采用無(wú)透鏡光學(xué)設(shè)計(jì)與智能手機(jī)配對(duì)，因此該BPClip僅需要可大規(guī)模制造的機(jī)械部件。目前，在1000個(gè)單位的小批量制造中，每個(gè)BPClip系統(tǒng)的材料成本都低于1美元。即使在小批量的情況下，BPClip系統(tǒng)也比任意商業(yè)血壓監(jiān)測(cè)儀便宜得多。由于大部分成本來(lái)自3D打印塑料，該成本將隨著注塑成型和批量部件成本的降低而顯著降低。

研究人員通過(guò)收集24名收縮壓在80-156 mmHg之間、舒張壓在57-97 mmHg之間的用戶(hù)的數(shù)據(jù)對(duì)BPClip的精度進(jìn)行了驗(yàn)證。圖4顯示了收縮壓、平均血壓和舒張壓測(cè)量值的相關(guān)性和Bland-Altman圖。BPClip測(cè)量的收縮壓、平均壓和舒張壓的平均絕對(duì)誤差分別為8.7 ± 10.0、8.4 ± 10.3和5.5 ± 7.0 mmHg，偏差分別為1.72、0.79和0.3 mmHg。

圖4 BPClip血壓測(cè)量的精度

因?yàn)槭褂肂PClip需要用戶(hù)的主動(dòng)交互，所以研究人員分析了用戶(hù)完成一次測(cè)量所需的時(shí)間。每個(gè)測(cè)試花費(fèi)的時(shí)間是根據(jù)每個(gè)參與者的元數(shù)據(jù)（metadata）計(jì)算的。如果用戶(hù)在每個(gè)級(jí)別上都不重復(fù)測(cè)量，并且每個(gè)級(jí)別需要7秒，那么用戶(hù)完成一次測(cè)量的最短可能時(shí)間約為140秒。

綜上所述，本研究提出了一種使血壓監(jiān)測(cè)大眾化的解決方案，該方案利用一種超低成本的只需幾美分即可大規(guī)模生產(chǎn)的塑料“夾子”將智能手機(jī)（即使是便宜的千元機(jī)）攝像頭轉(zhuǎn)化為血壓監(jiān)測(cè)儀，目前原型的材料成本在小批量制造時(shí)不到1美元，但如果大規(guī)模量產(chǎn)，預(yù)計(jì)血壓監(jiān)測(cè)儀的成本將會(huì)更低。
責(zé)任編輯：彭菁