可穿戴高光谱PPG传感系统实现连续且无感的血压监测
2025-06-07 10:34:32   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

连续血压（BP）监测对心血管健康至关重要，但现有的血压传感器受限于依赖袖带的设计而难以实现连续血压监测。无袖带的替代方案仍存在佩戴不适和测量不连续的问题。

据麦姆斯咨询报道，近日，韩国科学技术院（KAIST）的研究团队提出了一种可穿戴高光谱光电容积脉搏波（HS-PPG）传感系统，用于实现连续且无感的血压监测。该HS-PPG传感系统集成了一种超薄、高分辨率的双折叠固体浸没光栅微型光谱仪（DFSIG-µSPEC）与白光LED光源。DFSIG-µSPEC在550–800 nm的工作范围内的平均光谱分辨率为3.4 nm。HS-PPG传感系统的体积仅为8 mm × 16 mm × 24 mm，适合腕部可穿戴配置。

PPG波形包含50个光谱带，可实现小动脉脉搏波传导时间（aPTT）的精确测量。舒张压（DBP）和收缩压（SBP）分别通过双元素Windkessel模型估算，其R值分别为0.92和0.96，平均绝对差（MAD）分别为1.20和0.40 mmHg。此外，在运动诱发性高血压条件下，血压可与心率（HR）和呼吸交换比（RER）一起进行连续测量。收缩压的连续监测在血流动力学变化时可立即响应，并在运动和恢复期间显示收缩压、心率和呼吸交换比的生理参数。可穿戴HS-PPG传感系统在实现高保真、连续血压监测方面展现出了巨大潜力。上述研究成果以“Wearable Hyperspectral Photoplethysmography Allows Continuous Monitoring of Exercise-Induced Hypertension”为题发表于Advanced Science期刊。

HS-PPG传感系统由超薄DFSIG-µSPEC和白光LED（图1a）构成。DFSIG-µSPEC基于固体浸没光栅（SIG）结构，用于光的色散。在白光LED照射下，DFSIG-µSPEC可连续测量从血管层反射的不同波长的PPG波形。反射光首先通过一个硅微狭缝进入，随后经由SIG进行色散，最后由CMOS线阵传感器捕获。两个平面镜之间的多次反射有效延长了光路，同时显著减小了微型光谱仪的整体厚度。测得的HS-PPG波形被逐步积累为一个时间序列的光谱数据集，从而能够计算出高度对齐且连续的aPTT值。

图1 使用具有DFSIG-µSPEC的可穿戴PPG传感器进行连续血压监测示意图

研究人员对DFSIG-µSPEC在其工作波段内的光谱分辨率进行了评估（图2）。光谱分辨率和光学灵敏度是通过输出光谱计算得出的（图2b）。定量分析结果显示，平均光谱分辨率为3.4 nm，相对灵敏度超过最大值的60%。值得注意的是，DFSIG-µSPEC能够测量白光LED的连续发射光谱，以及588、633、675 和785 nm LED的窄带输出光谱，其结果与传统光谱仪几乎一致（图2c和2d）。此外，DFSIG-µSPEC还测量了手腕皮肤的漫反射光谱（图2f）。反射光谱在工作波段内表现出相似的光谱特性，进一步凸显了该微型光谱仪在血压估算方面的高分辨率性能。

图2 DFSIG-µSPEC的光谱分辨率

完整的血压估算流程基于简化的血管层模型（图3a）。光线穿过表皮、真皮和皮下组织等血管层，并被血管中的血液吸收。系统性血管阻力（SVR）作为衡量血流阻力的指标，在不同血管层之间存在差异。采用一个具有不同SVR值的简化血管模型，根据计算得到的平均动脉压（MBP）和脉压（PP）来估算收缩压和舒张压。

图3 用于连续血压估算的HS-PPG波形测量

基于正常血压受试者，研究人员采用袖带式血压传感器和HS-PPG传感系统进行了血压估算性能评估（图4）。测量结果显示，HS-PPG传感系统估算的舒张压和收缩压与袖带式血压传感器测得的参考血压值高度一致，两者的R值分别为0.92和0.96，MAD分别为1.20和0.40 mmHg。此外，短期和长期稳定性确保使用HS-PPG传感系统能够进行精确的血压估算，而无需频繁校准。

图4 正常血压状态下血压测量的比较分析

在运动诱发性高血压（EIH）条件下，研究人员利用可穿戴HS-PPG传感系统对连续血压监测进行了进一步评估（图5a）。每位受试者（共10名无心血管疾病的正常血压个体）均配备了袖带式血压传感器、HS-PPG传感器、心率传感器和呼吸量热仪。临床实验分为三个阶段，每个阶段持续10分钟：休息（运动前）、攀爬运动、恢复（运动后）。在整个连续阶段中，同时监测收缩压、心率和呼吸交换比（图5b）。收缩压在运动期间显著升高，随后在恢复期下降。HS-PPG传感器可持续追踪收缩压的动态变化，与传统血压传感器的测量值高度一致，且能在运动过程中有效监测收缩压，此时传统血压传感器常受到运动伪影干扰。值得注意的是，参考收缩压与HS-PPG估算收缩压之间的相关性表现出很强的线性，所有连续阶段的R值为0.95，MAD为3.80 mmHg（图5c）。Bland–Altman图也显示出平均估算误差为0.98 mmHg，置信区间为95%，表明参考值与估算值之间高度吻合（图5d）。

图5 血流动力学变化期间的连续血压监测

综上所述，这项研究成功展示了一种用于连续监测运动诱发性高血压的可穿戴HS-PPG传感系统。该HS-PPG传感系统采用具有高光谱分辨率的DFSIG-µSPEC，利用固体浸没光栅在550–800 nm的宽工作波长范围内进行测量。DFSIG-µSPEC的平均光谱分辨率为3.4 nm，相对灵敏度超过最大值的60%。HS-PPG传感系统将DFSIG-µSPEC和白光LED集成于一个腕部可穿戴设备中，能够采集HS-PPG波形并精确计算aPTT，随后利用双元素Windkessel模型对血压水平进行估算。通过HS-PPG进行的连续血压监测能够提供有价值的心血管信息，详细呈现运动及恢复过程中的收缩压等生理参数。总之，这一可穿戴光学平台有望提升医疗资源效率、降低医疗成本，并推动精准医疗与主动数字健康的发展。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202417625

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