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智能手机新附件可在指尖上测量血压

可穿戴装置测量血压等人体参数示意图。（Shutterstock）

鉴于美国有47%的成年人患有高血压，因此经常测量血压不失为明智之举。加州大学圣地亚哥分校5月29日发表在《科学报告》（Scientific Reports）上的最新研究，让测量血压变得不费吹灰之力，你所需要的，只是一只手机和一块80美分的塑料片。

新软件叫做BPClip，它提供的血压读数与传统手臂袖带读数具有广泛的可比性，而它看上去就像一个简单的手机附件，依赖于智能手机的摄像头和闪光灯，巧妙运用物理原理，利用光学元件上的压力来追踪血流。

BPClip的硬件由一个带有弹簧的塑料夹组成，用户可以挤压该设备和两个光通道：一个将闪光灯引向您的手指，另一个将反射光引向相机以进行图像处理。定制的Android应用程序负责数据处理并引导用户完成测量。

“这项工作的主要动机在于降低成本，我们想朝这个方向发展的主要原因是因为目前还没有真正低成本的血压测量设备，”该论文的第一作者宣一楠（Yinan Xuan，音译）告诉科技艺术网站Ars Technica。“你可以从便利店或药店买到的都是袖带装置，最便宜也要20或30美元左右。”

对于收入较低的人来说，这可能会成为测量血压的经济障碍。“在全球范围内，超过三分之一的高血压患者得到了诊断和治疗，”麦克马斯特大学心脏病学部副教授哈里特·范·斯波（Harriette Van Spall）博士说，她并没有参与这项工作。她补充说：“边缘人群，包括女性、有色人种和贫困人群则特别容易诊断和治疗不足，现在这些人可以从这种以患者为中心的技术中受益。”

宣一楠及其同事希望，如果大规模投产，BPClip最终可以由医生或非营利组织分发，就像牙医分发牙线和牙刷一样。为此，他们已经建立了一家初创公司Billion Labs Inc.，以进一步完善这一设计。

光与压力相联系

BPClip依靠一个简单的原理来获取读数：血液吸收光。如果您在黑暗的房间里用手指盖住手机上的闪光灯，您可能会看到发光的手指在闪烁，闪烁来自您的脉搏，脉搏使血液流过手指的静脉和动脉——当心脏收缩时血流量更多（吸收更多的光），而当心脏放松时血液较少，吸收的光也较少。

BPClip软件使用手机的摄像头记录这些光脉冲。通过简单地对每个所捕获图像计算平均亮度，软件可以实时读取有多少血液流过了手指。

然而，仅此信息还不足以计算血压读数：BPClip还需要知道当对手指施加压力时血流如何变化——这与袖带设备测量的过程基本相同。

这就是BPClip的用武之地。通过将弹簧从0%逐渐压缩到100%，可以对手指中的血管施加一系列不同的压力，这些压力影响血液的流动，从而可用于计算血压读数。

当用户完全按下弹簧时：压力迫使手指中的血管闭合，血液无法流动，因此相机无法看到光脉冲。如果用户逐渐松开弹簧，就会达到血液再次流动的程度，从而相机可以再次检测到光脉冲，这就是心跳期间的最大血压：收缩压。

随着您继续减少弹簧上的压力，血液能够愈加自由地流过手指，从而改变反射的光量。最终，手指上的压力将不再足以阻碍血液流动，反射光变成稳定的脉搏，这是心跳期间的最小压力：舒张压。

通过观察不同压缩水平下的血流并将这些测量值与施加在手指上的压力相匹配，BPClip即可计算出收缩压和舒张压。这就提出了一个问题：系统如何判断BPClip施加了多大的力？

如何探测压力

BPClip没有任何电子元件，而是使用简单的物理学来测量施加在手指上的压力。在手指的反射光到达相机之前，它会通过一个针孔。这意味着相机接收到的光是针孔所投影得，其大小取决于手指离针孔的距离。如果已知弹簧的准确刚度，则可用图像的大小来计算手指上压力的大小。

BPClip在每次测量前会执行内部校准。通过测量最大和最小弹簧压缩时的反射亮度，BPClip就能记录手指的固有光反射。这可以从后续测量中减去，意味着最终数字仅与血流量有关。闪光灯亮度、肤色和血液总量的差异都可以用这种方法来测量。

能够独立测量血压使BPClip独树一帜。而可穿戴式血压计的想法并不新鲜——市面上有大量以不同方式计算血压的设备原型机。然而，阻止其广泛使用的关键在于需要对基于袖带式设备进行外部校准，因其使用的是间接测量法。使用脉搏传输时间的指标来估算血压的设备也要定期进行外部校准，而不是一次性的外部校准，这是由于其模型无法将老化和疾病带来的动脉弹性变化考虑在内。

下一步如何改进

“我会说它肯定有改进的余地，”宣一楠说。 “目前，准确性尚处于筛查水平，而非诊断水平。”目前版本的 BPClip 产生的测量值可能与袖带读数相差多达8 mmHg。这可能不够准确，无法诊断特定情况，但可用于提示用户去看医生。

该团队还需要确定 BPClip 安装到手机上的方式——目前只在谷歌Pixel 4上试用过，但其操作原理应该适用于任何具有2 MB以上像素摄像头的手机。内部校准将校正闪光灯功率和相机灵敏度的差异，这意味着只需考虑相机阵列的物理布局。闪光灯和最近的相机镜头之间的距离是这里的关键参数，因其决定了光在测量过程中传播所必经的总距离。作者估计BPClip 可以与闪光灯到镜头距离最远为16毫米的手机配合使用，这包括研究测试过的50款手机，其中只有四款除外。

在BPClip进入市场之前，可能还有一些问题需要解决，但作为一项概念验证研究，它已显示出巨大潜力。