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持續(xù)無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)血壓（BP）對(duì)心血管疾病的控制至關(guān)重要。傳統(tǒng)的基于袖帶的方法雖然準(zhǔn)確，但對(duì)于連續(xù)使用往往不方便且不切實(shí)際。光體積脈搏波描記術(shù)（Photoplethysmography，PPG）是一種非侵入性的光學(xué)技術(shù)，作為一種很有前途的替代技術(shù)，其在耳后的應(yīng)用尤其受到關(guān)注。本文深入研究了用于BP測(cè)量的耳后PPG的技術(shù)原理，提供了全面的市場(chǎng)分析，并強(qiáng)調(diào)了其在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性方面的顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也承認(rèn)了當(dāng)前的局限性。

【創(chuàng)新醫(yī)械】耳后無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量技術(shù)原理、市場(chǎng)分析

高血壓是全球主要的健康問題，有必要定期和準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)血壓。目前的金標(biāo)準(zhǔn)方法，如使用血壓計(jì)的聽診法，提供間歇性讀數(shù)，對(duì)于長(zhǎng)期或連續(xù)監(jiān)測(cè)可能很麻煩。因此，開發(fā)無(wú)創(chuàng)、連續(xù)的血壓監(jiān)測(cè)技術(shù)是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。光容積脈搏波（Photoplethysmography，PPG）是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的光學(xué)技術(shù)，用于測(cè)量組織微血管床的血容量變化，因其在該領(lǐng)域的潛力而獲得了相當(dāng)大的關(guān)注。雖然PPG已經(jīng)在手指和手腕等部位得到了廣泛的探索，但耳后區(qū)域?yàn)榛赑PG的血壓測(cè)量提供了一個(gè)獨(dú)特而有利的位置。本文旨在對(duì)這一新興技術(shù)進(jìn)行全面概述。

01耳后PPG血壓測(cè)量技術(shù)原理

光電容積脈搏波（PPG）基礎(chǔ)

PPG基于光學(xué)檢測(cè)微血管血容量變化，一個(gè)典型的PPG傳感器由一個(gè)發(fā)光二極管（LED）和一個(gè)光電探測(cè)器組成。LED發(fā)出的光穿透皮膚，被包括血液在內(nèi)的各種組織成分吸收或散射光電探測(cè)器測(cè)量通過組織傳輸或從組織反射的光量。由于每次心跳時(shí)小動(dòng)脈和毛細(xì)血管中的血容量發(fā)生變化，吸收或反射的光量也發(fā)生變化，從而產(chǎn)生脈動(dòng)波形——PPG信號(hào)包括脈動(dòng)（AC）成分，代表由于心臟同步搏動(dòng)引起的血容量變化，以及非脈動(dòng)（DC）成分，代表平均血容量和組織特征。

比爾-朗伯定律解釋了光強(qiáng)在穿過介質(zhì)時(shí)的衰減。在PPG中，搏動(dòng)血流引起的血液中血紅蛋白濃度的變化直接影響到檢測(cè)到的光量，從而形成PPG波形的基礎(chǔ)。不同波長(zhǎng)的光能穿透的深度不同，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光（如紅外線）一般能穿透更深的。

從PPG估計(jì)血壓

雖然PPG直接測(cè)量血容量變化，但從PPG信號(hào)估計(jì)血壓涉及更復(fù)雜的算法，通常利用PPG波形與動(dòng)脈僵硬度和脈搏波傳播之間的關(guān)系。常用的主要方法有兩種：

脈沖傳遞時(shí)間（PTT）和脈沖到達(dá)時(shí)間（PAT）： PTT是脈沖波在兩個(gè)動(dòng)脈部位之間傳遞所需的時(shí)間，PAT常被用作近似值，用心電圖（ECG）的r波（指示心室去極化）與周圍PPG波形的特征點(diǎn)（例如，腳或峰）之間的時(shí)間延遲來(lái)測(cè)量。人們普遍認(rèn)為PTT與血壓呈負(fù)相關(guān)：當(dāng)BP升高時(shí)，動(dòng)脈硬度增加，導(dǎo)致PTT縮短，反之亦然。對(duì)于耳后測(cè)量，研究人員已經(jīng)探索了多模態(tài)傳感，將PPG與入耳式麥克風(fēng)相結(jié)合，檢測(cè)第一心音（S1），并計(jì)算從S1聲音到PPG上strokebbb14的血管傳遞時(shí)間（VTT）。

脈搏波分析（PWA）： PWA包括從PPG波形中提取各種形態(tài)特征來(lái)估計(jì)血壓PPG波形的形狀受動(dòng)脈硬度、外周部位反射和其他心血管參數(shù)的影響采用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)分析這些特征并將它們與血壓值相關(guān)聯(lián)。特別是深度學(xué)習(xí)方法，在自動(dòng)提取相關(guān)特征和從大型PPG數(shù)據(jù)集中建立準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型方面顯示出了希望。

【創(chuàng)新醫(yī)械】耳后無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量技術(shù)原理、市場(chǎng)分析

圖1 研究概覽

耳后放置優(yōu)勢(shì)

耳后區(qū)域?yàn)榛赑PG的血壓測(cè)量提供了幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：

靠近大動(dòng)脈：耳后動(dòng)脈是頸外動(dòng)脈的一個(gè)分支，在耳道下方運(yùn)行，為穩(wěn)健的PPG信號(hào)采集提供了豐富的微血管床。耳道靠近頸動(dòng)脈也可以增強(qiáng)脈沖幅度變化的功率。

減少運(yùn)動(dòng)偽影：與手腕或手指等部位相比，耳朵相對(duì)穩(wěn)定，在日常活動(dòng)中不易受到運(yùn)動(dòng)偽影的影響，這對(duì)于獲得高質(zhì)量、連續(xù)的PPG信號(hào)至關(guān)重要。

方便和謹(jǐn)慎：耳戴式設(shè)備（earables）正變得越來(lái)越普遍，可以設(shè)計(jì)成不顯眼和舒適的連續(xù)佩戴器，類似于助聽器或耳塞。耳道的黑暗環(huán)境也最大限度地減少了外界光線的干擾，進(jìn)一步提高了信號(hào)質(zhì)量。

可達(dá)性：耳朵便于放置傳感器，不需要用戶脫衣服或暴露身體其他部位，方便在各種環(huán)境下使用。

02 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性優(yōu)勢(shì)

耳后位置的固有特性，結(jié)合先進(jìn)的信號(hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)，有助于提高PPG血壓測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性：

高信號(hào)質(zhì)量：耳內(nèi)致密的血管結(jié)構(gòu)和良好的血液灌注，以及減少的運(yùn)動(dòng)偽影和外部光線影響，導(dǎo)致更高質(zhì)量的PPG信號(hào)。高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確提取特征和后續(xù)BP估計(jì)的基礎(chǔ)。

運(yùn)動(dòng)穩(wěn)健性：如前所述，耳朵相對(duì)穩(wěn)定的位置最大限度地減少了運(yùn)動(dòng)引起的信號(hào)失真，這是手腕或手指上可穿戴PPG設(shè)備的常見挑戰(zhàn)。這種穩(wěn)健性可以在日常活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)更可靠的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

生理相關(guān)性：與其他外周部位相比，靠近中心動(dòng)脈提供的PPG信號(hào)可能更直接地反映中心血流動(dòng)力學(xué)變化。一些研究表明，耳朵的血管反應(yīng)可能較少受到像低溫這樣的外周灌注問題的影響。

先進(jìn)的算法：復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法的發(fā)展顯著增強(qiáng)了從PPG波形中提取有意義特征并將其與BP相關(guān)聯(lián)的能力。這些算法可以學(xué)習(xí)PPG信號(hào)中指示血壓變化的復(fù)雜關(guān)系，超越了更簡(jiǎn)單的基于PTT的方法。

多模態(tài)傳感潛力：將PPG與其他傳感器（如用于S1聲音檢測(cè)的入耳式麥克風(fēng)）集成在一起，可以實(shí)現(xiàn)多模態(tài)方法，可以提供更穩(wěn)健和準(zhǔn)確的BP估計(jì)，特別是通過計(jì)算血管傳遞時(shí)間（VTT）。

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圖2 數(shù)據(jù)傳輸流程

03市場(chǎng)分析

由于高血壓患病率的增加、老年人口的增加以及對(duì)遠(yuǎn)數(shù)據(jù)傳輸流程患者監(jiān)測(cè)和個(gè)人健康管理解決方案的需求不斷增加，全球非侵入性和連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)設(shè)備市場(chǎng)正在經(jīng)歷顯著增長(zhǎng)。

對(duì)可穿戴設(shè)備的需求不斷增長(zhǎng)：智能手表和健身追蹤器等可穿戴設(shè)備的普及，激發(fā)了人們對(duì)整合健康監(jiān)測(cè)功能的興趣。PPG生物傳感器是這些設(shè)備的基石，2022年全球PPG生物傳感器市場(chǎng)價(jià)值為4.168億美元，預(yù)計(jì)從2023年到2030年將以11.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。雖然心率監(jiān)測(cè)目前占據(jù)最大份額，但血壓監(jiān)測(cè)領(lǐng)域預(yù)計(jì)將出現(xiàn)相當(dāng)大的增長(zhǎng)。

正在轉(zhuǎn)變的醫(yī)療保健模式：預(yù)防性醫(yī)療保健、遠(yuǎn)程醫(yī)療和遠(yuǎn)程患者監(jiān)控是一個(gè)強(qiáng)大的趨勢(shì)。持續(xù)的BP監(jiān)測(cè)，特別是對(duì)高血壓患者或高危人群，可以更早地發(fā)現(xiàn)問題，更好地堅(jiān)持治療，改善健康結(jié)果。耳后式PPG等無(wú)袖套連續(xù)解決方案非常適合這種模式轉(zhuǎn)變。

競(jìng)爭(zhēng)格局：市場(chǎng)上既有成熟的醫(yī)療設(shè)備公司，也有創(chuàng)新的初創(chuàng)公司，都在開發(fā)非侵入性BP監(jiān)測(cè)解決方案。像cossinuss°這樣的公司正在積極開發(fā)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算血壓的入耳式PPG解決方案，學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)也積極參與其中，研究團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)和完善耳后設(shè)備。

監(jiān)管障礙：為了廣泛的臨床應(yīng)用，耳后PPG血壓裝置需要經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試并獲得監(jiān)管部門的批準(zhǔn)（例如，美國(guó)的FDA，歐洲的CE標(biāo)志）。

未來(lái)展望：耳后PPG血壓測(cè)量的市場(chǎng)潛力巨大。其謹(jǐn)慎、舒適和連續(xù)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的潛力使其成為一般健康和臨床應(yīng)用的有吸引力的解決方案。傳感器技術(shù)、算法開發(fā)（特別是人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)）和小型化的進(jìn)一步進(jìn)步將繼續(xù)推動(dòng)市場(chǎng)擴(kuò)張，與現(xiàn)有智能生態(tài)系統(tǒng)（智能手機(jī)、健康平臺(tái)）的整合也將對(duì)市場(chǎng)滲透至關(guān)重要。

04局限與挑戰(zhàn)

盡管有很好的優(yōu)勢(shì)，但耳后PPG血壓測(cè)量的廣泛采用需要解決一些限制和挑戰(zhàn)：

個(gè)體可變性和校準(zhǔn)：由于動(dòng)脈硬度、皮膚特性和生理反應(yīng)的差異，PPG波形特征與血壓之間的關(guān)系在個(gè)體之間可能存在顯著差異。這就需要個(gè)性化校準(zhǔn)，通常需要初始的基于袖帶的測(cè)量來(lái)為個(gè)體建立基線，并可能隨著時(shí)間的推移重新校準(zhǔn)。

運(yùn)動(dòng)偽影（殘余）：雖然不像其他部位那么容易受到影響，但顯著的頭部或身體運(yùn)動(dòng)仍然會(huì)給PPG信號(hào)引入偽影，從而影響準(zhǔn)確性，需要穩(wěn)健的信號(hào)處理技術(shù)來(lái)減輕這些影響。

接觸壓力敏感性：PPG傳感器與皮膚之間的接觸壓力會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量和形態(tài)，可能導(dǎo)致BP估計(jì)誤差保持一致的接觸是至關(guān)重要的，設(shè)備設(shè)計(jì)必須考慮到這個(gè)。

解剖和生理差異：皮膚色素沉著、毛發(fā)和耳周組織厚度變化等因素會(huì)影響光穿透和信號(hào)質(zhì)量。

臨床驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)化：需要在不同人群中進(jìn)行更廣泛的臨床試驗(yàn)，以根據(jù)既定標(biāo)準(zhǔn)（例如ISO 81060-2）驗(yàn)證耳后PPG血壓裝置的準(zhǔn)確性和可靠性。測(cè)量方案和算法開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)于設(shè)備間的廣泛采用和比較也至關(guān)重要。

電池壽命和處理能力：持續(xù)監(jiān)測(cè)需要對(duì)可穿戴設(shè)備進(jìn)行有效的電源管理，復(fù)雜算法的板載處理會(huì)消耗大量功率，因此需要優(yōu)化硬件和軟件設(shè)計(jì)。

生理可解釋性：雖然深度學(xué)習(xí)模型可以達(dá)到很高的準(zhǔn)確性，但理解其預(yù)測(cè)的生理基礎(chǔ)可能具有挑戰(zhàn)性。需要進(jìn)一步的研究來(lái)增強(qiáng)這些模型的可解釋性。

05 結(jié)論

耳后PPG血壓測(cè)量代表了非侵入性和連續(xù)健康監(jiān)測(cè)方面的重大進(jìn)步。耳的解剖優(yōu)勢(shì)，加上復(fù)雜的PPG技術(shù)和先進(jìn)的算法，為高精度和用戶友好的血壓監(jiān)測(cè)提供了潛力。雖然與個(gè)體差異、殘留運(yùn)動(dòng)偽影和嚴(yán)格的臨床驗(yàn)證相關(guān)的挑戰(zhàn)仍然存在，但該領(lǐng)域正在進(jìn)行的研究和開發(fā)正在迅速解決這些問題。隨著對(duì)方便和持續(xù)的健康洞察需求的增長(zhǎng)，耳后PPG血壓測(cè)量將在預(yù)防保健和個(gè)性化醫(yī)療中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

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