医学
加州理工学院开发首个无创连续血压测量方法
Caltech团队开发了一种新技术，能无创、连续地测量全身各部位的真实血压，或将革新医疗监测。
Caltech(加州理工学院)的一个跨学科研究团队成功解决了一个多年的难题，研发出一种能够无创且连续地在身体任何部位测量血压的方法，并几乎不会对患者造成干扰。基于这一新技术的设备有望在家庭、医院，甚至资源有限的偏远地区实现更好的生命体征监测。
这种新获得专利的技术名为共振声波测量法(resonance sonomanometry)，通过声波轻微刺激动脉产生共振，然后使用超声成像测量动脉的共振频率，从而获得真实的血压读数。在一项小型临床研究中，这种设备在患者皮肤上产生轻微的嗡嗡声，所得结果与标准血压袖带的测量结果相近。
“我们最终研制出了一种能够测量绝对血压的设备——不仅仅是我们从血压袖带中获得的收缩压和舒张压，还能测量完整的波形，”电气工程与计算机科学教授Yaser Abu-Mostafa(1983年获得博士学位)说，他也是发表在《PNAS Nexus》期刊上的新论文的作者之一。“有了这个设备，你可以在不同的身体部位连续测量血压，这为我们提供了更多关于个人血压的信息。”
“这个团队已经努力了将近十年，试图打造一种能够解决实际临床问题的产品，”Caltech的访问电气工程副研究员、USC的生物医学工程副研究教授、这篇新论文的共同作者Aditya Rajagopal(2008年获得学士学位，2014年获得博士学位)说道。“包括Apple和Google等科技巨头在内的许多团队都在努力寻求类似的解决方案，因为这可以在从医院到家庭的广泛患者监测中提供可能性。我们的方法扩大了医院级血压和心脏健康指标监测的可及性。”
血压入门
血压就是血液在全身循环时对血管壁的压力。高血压与心脏病发作、中风、慢性肾病及其他健康问题有关。低血压也可能是一个严重的问题，因为这意味着血液没有携带足够的氧气到达器官。定期测量血压被认为是监测整体健康状况和识别潜在问题的最佳方法之一。
大多数人都经历过袖带式的血压测量方法。护士、医生或机器会将袖带绕在上臂周围充气，直到血液无法流动，然后缓慢释放袖带中的空气，同时聆听血液再次流动时发出的声音。此时袖带中的压力对应于患者动脉中的血压。然而，这种技术存在局限性：它只能周期性地执行，因为它涉及阻断血管，并且只能从手臂获取数据。
医生非常希望能够获得连续的读数，提供患者血压的完整波形，不仅仅是手臂的外周测量，还包括胸部和身体其他部位的中心测量。为了获得所需的完整信息，重症监护医生和外科医生有时会在危重病人的动脉中直接插入导管(这种做法称为动脉线或“a-line”)。这是侵入性的且可能有风险，但到目前为止，这是唯一能获得真实血压连续读数的方法。在某些情况下，例如心脏瓣膜问题，完整的血压波形可以为医生提供其他方式无法获得的诊断信息。
“在这个波形中有很多非常有价值的信息，”Caltech的访问电气工程副研究员、急诊医学医生、该论文的共同作者Alaina Brinley Rajagopal说。过去十到二十年开发的其他血压设备还需要一个校准步骤，而急诊医生根本没有时间进行这种操作，“我需要的是一种能立即起效的设备。”
新设备正好满足了这一需求。由衍生公司Esperto Medical开发并测试的当前原型，被装在一个比扑克牌盒还小的传感器外壳中，并安装在臂带上，不过研究人员表示，最终它可以装进手表或粘贴贴片大小的包装中。团队的目标是首先在医院使用该设备，它将通过线缆连接到现有的医院监护仪。这样，医生就不再需要在获取任何患者真实血压的连续监测数据时权衡插入动脉线的风险。
最终，Brinley表示他们的设备可能会取代血压袖带。“血压袖带只能在你使用袖带时进行一次测量，所以如果你要求患者在家监测血压，他们必须知道如何使用设备，必须正确佩戴，而且还需要有记录信息的动机，我认为大多数患者不会这样做，”Brinley Rajagopal说。“有了我们这样的设备，你只需要戴上然后忘掉它，你可以整天佩戴，它可以根据你的医生需要进行任意多次测量，这将有助于更精确地调整药物剂量。”
开发一项颠覆性技术
Rajagopal回忆起开发血压设备一路走来的艰辛历程。大约十年前，Brinley Rajagopal从一次全球健康之旅中回来后，对她在偏远地区能够为患者提供的标准护理感到特别沮丧。与Rajagopal交谈时，他们希望能够发明类似于《星际迷航》中出现的医用三录仪那样的设备，这是一种帮助未来的虚构医生扫描患者、收集医疗信息并进行诊断的手持设备。“这让我们开始思考可以改造的技术，以接近这样的目标，”Brinley Rajagopal说。最初的科幻灵感讨论最终引导他们走上了开发更好的血压监测仪的道路。
但他们的首次尝试并不成功。经过多年的努力，他们采用血流速度推算血压的可能解决方案被证明是一条死胡同。与许多其他当前的血压监测设备一样，该方法只能提供相对血压——高低测量之间的差异，而无法提供绝对数值。此外，它还需要校准。
重新开始
Rajagopal决定是时候重新评估他们是否有机会解决这个问题了。“实际上，正是这种绝望的时刻导致了关键洞察的诞生，”Rajagopal说。
回想起他在Caltech的第一年物理课程，他开始在附近的墙上涂画。他记得他的《物理1》教科书中提出了一个经典问题：你有一根绷紧的弦，如何确定这根弦有多紧？如果你拨动弦，你可以将震动波在弦上传播的速度与弦的共振频率联系起来，从而得到答案。“我想如果我能在一个方向上拉伸动脉，并神奇地拨动它，然后让它恢复，振动将给我们共振频率，从而得到血压，”Rajagopal说。在经过六年的失败和回到基本原理之后，他们终于找到了指导性见解。
确实，这就是新设备的基本原理：就像吉他在被拨动时被拉紧会改变音调一样，当动脉受到声波撞击时产生的共振频率会随着其内血压的变化而变化。
这种共振频率可以通过超声波测量，从而提供血压测量。这种测量需要三个参数——动脉半径的测量、动脉壁的厚度以及动脉皮肤中的张力或能量。
尽管物理问题已经解决，仍然有许多其他细节需要解决——确定会使动脉产生共振的声波、理解如何测量这种共振，然后确定如何有效地将其映射回血压，最重要的是，如何构建一个工作系统。
“构建这个系统需要一些非常定制化的技术，”Rajagopal说。Caltech校友Raymond Jimenez(2013年获得学士学位)在构建第一个系统中发挥了关键作用。“这种艺术形式涉及许多其他Caltech校友，关键在于将物理学上的答案转化为一个非常简单、实用的仪器。”
最终研发出的Esperto设备体积小、无创、相对便宜，并且具有自动定位患者血管的方法，而无需进行物理重新定位。它也不会像某些血压监测设备那样，存在对于低血压患者不准确或因患者肤色而结果不同的问题。
尽管它不是医用三录仪，但团队表示该设备解决了长期以来的血压监测难题。Rajagopal表示，它是无数小的进步的成果。“我们所做的一切都是过去错误经验的产物，”他说，“以及其他人所做的所有工作。”
“这项工作象征着Caltech的卓越：通过回到基本原理并在根本层面理解物理现象来解决一个非常困难的问题，”Caltech的首席创新与企业合作官Fred Farina说。“这种方法，加上团队的坚韧和创业精神，是我们对社会影响和改善人们生活的独特贡献。”
本文译自 caltech.edu，由 BALI 编辑发布。