为什么选择 cNIBP 的容积夹技术而不是其它方法

Finapres Medical Systems B.V. 的创始人 Gerard Langewouters 解释了连续动脉血压测量，以及测量系统在过去 150 年中如何发展以保持领先地位。

该博客最初由 Gerard Langewouters 在Finapres 网站上发布，已经Finapres Medical Systems B.V.同意在此发布。

在这篇博客文章中，讨论了连续无创血压 (cNIBP) 测量的不同方法。 主要讨论点是：

  • 连续动脉血压测量的里程碑
  • 基于袖带的技术确定 cNIBP：容积夹（Volume Clamp）技术和压平测压技术（Applanation Tonometry）
  • 无袖带技术确定 cNIBP：脉搏传递时间、脉搏波分析和脉搏分解分析
  • 为什么容积夹法优于其它 cNIBP 技术

连续动脉血压测量的关键里程碑

动脉血压 (BP) 是临床实践中最常测量的重要参数之一。 1847 年，杰出的科学家Carl Friedrich Wilhelm Ludwig (1816-1895) 发明了描波器（kymograph），它首次能够以图形方式记录人体动脉压的连续波动。1

近一个世纪后的 1949 年，通过动脉导管进行的动脉内血压监测首次应用于临床2, 从而促进了对人体生理学的更深入研究。 然而，动脉导管仅适用于重症监护病房或手术室手术期间的重症患者。

在过去的 50 年中，已经开发出连续的无创技术，以提供有创血压测量的替代方案。 这类技术基本上可以分为：

  • 基于袖带的技术和
  • 无袖带测量方法。

cNIBP 压平测压技术

1963 年，Pressman 和 Newgard 开发了动脉测压计3。测压计通过在浅动脉（例如桡动脉）上施加张力扭曲血管来测量动脉压力。 这可以通过腕带或手持仪器执行，并记录来自施加的张力压平所选浅表动脉的搏动。

带有压力计的探头必须将动脉压平，使其紧贴骨头，这样其壁张力垂直于探头。 在这种扁平状态下，切向动脉壁张力不会影响使用传感器测量的垂直力。 因此，经过一些简化和假设，测量的动脉搏动引起的动脉位移被认为与动脉内压成正比。 随后，可以导出动脉波形和连续无创血压。

压平测压技术挑战

手动和自动压平已被证明是困难的。遇到了诸如传感器定位、运动伪影和校准等实际问题。压平测压法可能会出现问题，因为它们对设备的不精确放置很敏感，并且很容易导致读数不准确，尤其是在患者移动时。需要持续控制测压计的定位，而受试者在监测期间需要处于仰卧位。4建立测压计血压读数的校准基线仍然具有挑战性。因此，在实践中，无论何时预计血压会发生变化，都必须使用袖带 BP 校准测量的波形。

尽管桡动脉压平测压计具有良好的生理基础，因此在临床医学领域具有潜力，但已发表的治疗和结果数据不如肱动脉血压完整。5另一方面，动脉压平测量法已被改进为可靠且常用于测量脉搏波速度 (PWV) 以评估动脉僵硬度。

cNIBP 的容积夹技术

1973 年，也就是动脉压平测量法发展大约 10 年后，捷克生理学家 Jan Peñáz 开发了 容积夹法 ，通过使用一个带有充气膀胱的袖带向手指施加外部压力来排空手指动脉，以无创地测量人手指的连续血压6。

该系统包括一个带有内置光电体积描记器 (PPG) 传感器的充气指套、一个快速气动伺服系统和一个动态伺服设定点调节器。

volume clamp illustration

通过使用快速伺服系统，脉动的袖带压力被施加到与动脉内压力正好相反的手指动脉上。通过将动脉直径排空到设定点的过程，动脉以恒定尺寸被夹住，从其弹性扩张和脉动直径减小到较小的非脉动直径。

当袖带压力等于动脉压时，跨壁压（即动脉内压与外部施加的袖带压力之差）为零。排空动脉直到其直径等于无应力直径对于 Peñáz 的容积夹方法至关重要。为确保这一点，正确设定点的标准应基于手指动脉的生理特性。由 Karel Wesseling 发明的自动生理校准 (Physiocal) 使跟踪连续无创手指血压的正确设定点水平成为可能，即使在手指动脉血管张力发生变化期间也是如此7 。

1986 年推出了第一款基于容积夹的商用 Finapres 设备。从那时起，不同的医疗设备公司提供了一系列基于容积夹技术的设备。 Finapres Medical Systems 推出了多种设备，例如 Portapres®、Finometer® 和目前可用的采用NANO CORE®  技术的  Finapres® NOVA  设备（在博客中了解更多信息 Finapres®创新史）。

这些设备配备了所谓的高度校正系统，可自动校正手指血压，以适应当被测手远离心脏水平时引起的静水压变化。此外，这些设备不仅可以提供无创手指血压，还可以使用逆滤波技术重建肱动脉压力。此外，动脉压力波形指示心血管状态的变化，允许在搏动的基础上估算其它衍生参数，例如每搏输出量、心输出量、动脉僵硬度和血管阻力。

连续无创血压测量有助于扩大晕厥、短期血压控制和心血管反射活动领域的生理学知识体系（在博客中阅读更多相关信息 “了解晕厥基金会：晕厥知识促进者！”）。

无袖带技术确定 cNIBP 


在过去的二十年中，对连续或逐次血压测量（不使用袖带，不引人注目的应用没有任何中断）进行了重要的研究。 BP 是通过处理信号特征（即所谓的代表）来估计的，这些特征由 BP 的变化来调变。 这些技术包括众所周知的方法，例如脉搏传递时间 (PTT)、脉冲波分析 (PWA)、脉冲分解分析 (PDA) 或其组合。

 

cNIBP 的脉搏传递时间技术

脉搏传递时间 (PTT) 是动脉脉搏压力波从主动脉瓣传播到外周部位所需的时间。 PTT 定义为脉搏波在心血管系统的两个位置之间传播所花费的时间。

动脉特性的压力依赖性是采用脉搏传输测量作为 cNIBP 的有吸引力的替代测量的无袖带技术的基础。

基于 PTT 的无袖带血压监测方法包括以下三个步骤：

  1. 测量近端和远端动脉波形；
  2. 从波形估计 PTT； 和
  3. 校准PTT（以 ms 为单位）成 BP（以 mmHg 为单位）。

脉搏传递时间技术的挑战

成功实施这些步骤有几个挑战。最大的挑战是校准。尽管已证明 PTT 与收缩压和舒张压有很强的相关性，但这种关系高度依赖于每个人的生理特性。将 PTT 与 BP 相关的校准曲线取决于波形测量点之间的距离、血液密度、测量点之间的动脉平均横截面积以及将 BP 与动脉顺应性相关联的精确函数。除了血液密度，这些参数都是特定于受试者的。为每个受试者量身定制的校准曲线将是最佳的。然而，构建这样的曲线需要受试者进行基于袖带的血压测量。

PTT 的另一个主要挑战是方便的波形测量。 PTT 可以使用不同的传感方法来确定，例如电、光学、机械、生物阻抗和磁传感器。为方便起见，ECG 和（手指）PPG 信号之间的组合是最常用的一对来导出 PTT 值。时间延迟的起点是心电图的 R 峰值，而终点则是从 PPG 的峰值到 PPG 信号的一阶/二阶导数变化。

使用 PTT 测定血压受到心电图和手指体积描记图质量的强烈影响。 造成心电图信号干扰的原因有多种，导致R波漏检或误检，如电噪声、运动伪影、小R波、病理性R波等8。 此外，体积描记信号可能会受到干扰，例如由于运动、呼吸事件或其他导致流体静压变化的事件。

因此，总而言之，使用基于 PTT 的技术测量 cNIBP 的两个最大实际挑战是需要频繁校准以及在日常生活中对电生理和 PPG 信号的运动伪影的敏感性。 在将基于 PTT 的方法应用于常规诊断程序之前，需要克服这些挑战。

cNIBP 的脉搏波分析技术

脉搏波分析或 PWA 是一种基于血压波形形态分析的技术，其形状反映了有关动脉壁特性和血压本身的重要信息9。在 1960 年代开发压平测压计时，PWA 技术引起了人们的兴趣。最近，由于人们对从临床环境中常规测量的 PPG 信号中获取与血压相关的信息感兴趣，PWA 越来越多地应用于光电容积脉搏波 (PPG) 信号。

专有的 PWA 算法基于动脉系统的波反射理论从每个脉冲中提取特征。这种算法假设动脉脉搏沿着动脉树传播，并在每个动脉分支处反射。因此，所产生的动脉脉搏是前向波和后向波的叠加，它们在动脉树的不同位置进行干扰。鉴于特定患者的动脉拓扑结构，血压的变化会改变动脉脉冲传播的速度，从而重塑前向波和反射波的单个混合。

这些形态学变化通过专有的 PWA 算法进行量化，作为对患者动脉搏动模式的修改。脉动模式变化是传播特性潜在变化的间接指标，因此是中心血压潜在变化的间接指标。因此，PWA 算法的结果是一些具有生理意义的特征，其中包含有关患者中心血压状态的信息。

新的光学技术依赖于从原始透射光电容积描记信号中提取基于生理学的脉搏波分析 (PWA) 特征。这些生理特征随后通过臂袖带提供的间歇示波测量投影到血压值中。

cNIBP的脉搏分解分析技术

脉搏分解分析 (PDA) 使用脉搏轮廓分析方法来量化血流动力学参数，例如血压和动脉张力变化。 它基于两个中心反射点负责上身压力脉冲包络的形状的概念。

两个反射部位，一个位于胸主动脉和腹主动脉的主动脉交界处，另一个位于髂分叉处，反射初级左心室射血脉冲以产生两个反射分量脉冲和两个再反射分量脉冲。 在每个心动周期的脉压包络内，这五个分量脉冲依次到达动脉外周。 前三个分量脉冲的时间和振幅行为的量化建立了一种形式，可用于监测某些血流动力学状态及其变化。

 

为什么容积夹法优于其他 cNIBP 技术


尽管在过去的二十年中，在开发不显眼的无袖带 cNIBP 监测技术方面取得了重大进展，但其中大多数仍处于原型阶段。基于这种技术的设备通常比使用基于袖带技术的设备更小、更轻，并且测量比传统的基于袖带的无创测量更加用户友好。然而，诸如准确性、校准间隔和心脏病影响等问题仍有待解决，以提高这些技术在临床应用中的可靠性和稳健性。

尽管研究历史悠久，但无袖带方法尚未在临床和门诊实践中广泛使用，部分原因是技术限制和缺乏标准化的监管框架。由于无袖带技术的多学科性质，未来的发展将在很大程度上依赖于不同领域的进步，例如新型传感器、生理建模和数据分析。

迄今为止， 血管排空概念 一直是 cNIBP 监测最成功和经过验证的技术，弥合了传统上臂袖带血压测量和动脉线之间的差距。

参考文献

  1. Ludwig. (1847, Beiträge zur Kenntnis des Einflusses der Respirationsbewegungen auf den Blutlauf im Aortensysteme (in German, “Contribution to Knowledge of the respiratory movements influence to the aortic system circulation”). 242-302. Available: http://www.biodiversitylibrary.org/item/50159#page/464/mode/thumb
  2. Peterson, L. H., et al. “A Method for Recording the Arterial Pressure Pulse and Blood Pressure in Man.” American Heart Journal, vol. 37, no. 5, 1949, pp. 771–82. https://doi.org/10.1016/0002-8703(49)90175-1
  3. Pressman, G. L., and P. M. Newgard. “A Transducer for the Continuous External Measurement of Arterial Blood Pressure.” IRE Transactions on Bio-Medical Electronics, vol. 10, no. 2, 1963, pp. 73–81. https://doi.org/10.1109/tbmel.1963.4322794
  4. Rastegar, Solmaz, et al. “Non-Invasive Continuous Blood Pressure Monitoring Systems: Current and Proposed Technology Issues and Challenges.” Physical and Engineering Sciences in Medicine, vol. 43, no. 1, 2019, pp. 11–28. https://doi.org/10.1007/s13246-019-00813-x
  5. Nelson, Matthew R., et al. “Noninvasive Measurement of Central Vascular Pressures With Arterial Tonometry: Clinical Revival of the Pulse Pressure Waveform?” Mayo Clinic Proceedings, vol. 85, no. 5, 2010, pp. 460–72. https://doi.org/10.4065/mcp.2009.0336
  6. Peñáz, J. “Photoelectric measurement of blood pressure, volume and flow in the finger”. Digest 10th Conf. Med. Biol. Engng., 1973: 104.
  7. Wesseling K H, De Wit B, Van der Hoeven G M A, Van Goudoever J, Settels J J. “Physiocal, calibrating finger vascular physiology for Finapres”. Homeostasis 1995;36: 67-82.
  8.  Hennig, A., and A. Patzak. “Continuous Blood Pressure Measurement Using Pulse Transit Time.” Somnologie - Schlafforschung Und Schlafmedizin, vol. 17, no. 2, 2013, pp. 104–10. https://doi.org/10.1007/s11818-013-0617-x
  9. Nichols, Wilmer, et al. McDonald’s Blood Flow in Arteries: Theoretical, Experimental and Clinical Principles. 7th ed., CRC Press, 2022.
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