據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，美國加州大學(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量血壓，無需針對每個(gè)用戶進(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，在美國影響著45%以上的成年人，其患病率隨著年齡的增長而增加，是就診和使用慢性處方藥的最常見病因。高血壓仍然是全球過早死亡和殘疾的主要原因（可預(yù)防），每年造成近800萬人死亡，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，研究人員開發(fā)了一些新的方法使血壓監(jiān)測更容易獲得和負(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，這些方法被證明對弱勢群體有效。

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)能夠測量血壓。所提出的系統(tǒng)被稱為BPClip，其科學(xué)原理是利用示波法在指尖測量血壓。為了使智能手機(jī)能夠測量施加在手指動脈上的壓力，當(dāng)用戶加大力度按下夾子時(shí)，一個(gè)可移動的針孔投影會向攝像頭靠近。當(dāng)用戶以更大的力按壓設(shè)備時(shí)，彈簧支撐裝置會壓縮。因此，針孔的大小可以對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與動脈脈搏振幅相關(guān)。通過利用內(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）就可以測量用戶的血壓。

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)測解決方案相比，該系統(tǒng)不需要進(jìn)行用戶特定校準(zhǔn)的血壓袖帶測量。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)對收縮壓和舒張壓的平均絕對誤差（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)的基于袖帶的自動血壓監(jiān)測儀類似，提出的BPClip系統(tǒng)利用示波法測量血壓。因此，BPClip系統(tǒng)不需要針對每個(gè)用戶進(jìn)行校準(zhǔn)。示波法根據(jù)動脈周圍外部壓力變化時(shí)每次心跳的血容量振蕩變化來計(jì)算血壓。通常情況下，自動血壓監(jiān)測儀在利用壓力傳感器感知壓力和血容量振蕩的同時(shí)，對動脈施加越來越大的外部壓力（圖1A）。圖1B是使用典型的自動袖帶設(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，利用示波法測量血壓。使用BPClip時(shí)，用戶左手水平握住手機(jī)，并用右手食指按下彈簧夾子（圖1C）。然后，用戶根據(jù)自定義智能手機(jī)用戶界面的提示，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。血容量振蕩通過針孔投影的亮度進(jìn)行檢測。

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)手指按壓的可移動按壓平臺和一個(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針孔檢測到來自掌弓橫動脈的光電容積脈搏波（PPG）信號，用戶將指甲根部與距離夾子中心2 mm的凹口對齊，并將手指的長度方向與夾子的長軸平行對齊（圖3A）。為了消除流體靜力效應(yīng)，用戶需將手機(jī)保持在心臟水平高度，雙腿不交叉，并在整個(gè)測量過程中保持直立姿勢，類似于使用基于袖帶的血壓測量的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（圖3B）。用戶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)測量血壓的操作說明

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)，并采用無透鏡光學(xué)設(shè)計(jì)與智能手機(jī)配對，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)測儀便宜得多。由于大部分成本來自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之間的用戶的數(shù)據(jù)對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量值的相關(guān)性和Bland-Altman圖。BPClip測量的收縮壓、平均壓和舒張壓的平均絕對誤差分別為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血壓測量的精度

因?yàn)槭褂肂PClip需要用戶的主動交互，所以研究人員分析了用戶完成一次測量所需的時(shí)間。每個(gè)測試花費(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。如果用戶在每個(gè)級別上都不重復(fù)測量，并且每個(gè)級別需要7秒，那么用戶完成一次測量的最短可能時(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)測儀的成本將會更低。
責(zé)任編輯：彭菁