智能手機新附件可在指尖上測量血壓

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【大紀元2023年07月03日訊】(大紀元記者林達編譯報導)鑒於美國有47%的成年人患有高血壓,因此經常測量血壓不失為明智之舉。加州大學聖地亞哥分校5月29日發表在《科學報告》(Scientific Reports)上的最新研究,讓測量血壓變得不費吹灰之力,你所需要的,只是一隻手機和一塊80美分的塑料片。

新軟件叫做BPClip,它提供的血壓讀數與傳統手臂袖帶讀數具有廣泛的可比性,而它看上去就像一個簡單的手機附件,依賴於智能手機的攝像頭和閃光燈,巧妙運用物理原理,利用光學元件上的壓力來追蹤血流。

BPClip的硬件由一個帶有彈簧的塑料夾組成,用戶可以擠壓該設備和兩個光通道:一個將閃光燈引向您的手指,另一個將反射光引向相機以進行圖像處理。定制的Android應用程序負責數據處理並引導用戶完成測量。

「這項工作的主要動機在於降低成本,我們想朝這個方向發展的主要原因是因為目前還沒有真正低成本的血壓測量設備,」該論文的第一作者宣一楠(Yinan Xuan,音譯)告訴科技藝術網站Ars Technica。「你可以從便利店或藥店買到的都是袖帶裝置,最便宜也要20或30美元左右。」

對於收入較低的人來說,這可能會成為測量血壓的經濟障礙。「在全球範圍內,超過三分之一的高血壓患者得到了診斷和治療,」麥克馬斯特大學心臟病學部副教授哈里特·範·斯波(Harriette Van Spall)博士說,她並沒有參與這項工作。她補充說:「邊緣人群,包括女性、有色人種和貧困人群則特別容易診斷和治療不足,現在這些人可以從這種以患者為中心的技術中受益。」

宣一楠及其同事希望,如果大規模投產,BPClip最終可以由醫生或非營利組織分發,就像牙醫分發牙線和牙刷一樣。為此,他們已經建立了一家初創公司Billion Labs Inc.,以進一步完善這一設計。

光與壓力相聯繫

BPClip依靠一個簡單的原理來獲取讀數:血液吸收光。如果您在黑暗的房間里用手指蓋住手機上的閃光燈,您可能會看到發光的手指在閃爍,閃爍來自您的脈搏,脈搏使血液流過手指的靜脈和動脈——當心臟收縮時血流量更多(吸收更多的光),而當心臟放鬆時血液較少,吸收的光也較少。

BPClip軟件使用手機的攝像頭記錄這些光脈衝。通過簡單地對每個所捕獲圖像計算平均亮度,軟件可以實時讀取有多少血液流過了手指。

然而,僅此信息還不足以計算血壓讀數:BPClip還需要知道當對手指施加壓力時血流如何變化——這與袖帶設備測量的過程基本相同。

這就是BPClip的用武之地。通過將彈簧從0%逐漸壓縮到100%,可以對手指中的血管施加一系列不同的壓力,這些壓力影響血液的流動,從而可用於計算血壓讀數。

當用戶完全按下彈簧時:壓力迫使手指中的血管閉合,血液無法流動,因此相機無法看到光脈衝。如果用戶逐漸松開彈簧,就會達到血液再次流動的程度,從而相機可以再次檢測到光脈衝,這就是心跳期間的最大血壓:收縮壓。

隨著您繼續減少彈簧上的壓力,血液能夠愈加自由地流過手指,從而改變反射的光量。最終,手指上的壓力將不再足以阻礙血液流動,反射光變成穩定的脈搏,這是心跳期間的最小壓力:舒張壓。

通過觀察不同壓縮水平下的血流並將這些測量值與施加在手指上的壓力相匹配,BPClip即可計算出收縮壓和舒張壓。這就提出了一個問題:系統如何判斷BPClip施加了多大的力?

如何探測壓力

BPClip沒有任何電子元件,而是使用簡單的物理學來測量施加在手指上的壓力。在手指的反射光到達相機之前,它會通過一個針孔。這意味著相機接收到的光是針孔所投影得,其大小取決於手指離針孔的距離。如果已知彈簧的準確剛度,則可用圖像的大小來計算手指上壓力的大小。

BPClip在每次測量前會執行內部校准。通過測量最大和最小彈簧壓縮時的反射亮度,BPClip就能記錄手指的固有光反射。這可以從後續測量中減去,意味著最終數字僅與血流量有關。閃光燈亮度、膚色和血液總量的差異都可以用這種方法來測量。

能夠獨立測量血壓使BPClip獨樹一幟。而可穿戴式血壓計的想法並不新鮮——市面上有大量以不同方式計算血壓的設備原型機。然而,阻止其廣泛使用的關鍵在於需要對基於袖帶式設備進行外部校准,因其使用的是間接測量法。使用脈搏傳輸時間的指標來估算血壓的設備也要定期進行外部校准,而不是一次性的外部校准,這是由於其模型無法將老化和疾病帶來的動脈彈性變化考慮在內。

下一步如何改進

「我會說它肯定有改進的餘地,」宣一楠說。 「目前,準確性尚處於篩查水平,而非診斷水平。」目前版本的 BPClip 產生的測量值可能與袖帶讀數相差多達8 mmHg。這可能不夠準確,無法診斷特定情況,但可用於提示用戶去看醫生。

該團隊還需要確定 BPClip 安裝到手機上的方式——目前只在谷歌Pixel 4上試用過,但其操作原理應該適用於任何具有2 MB以上像素攝像頭的手機。內部校准將校正閃光燈功率和相機靈敏度的差異,這意味著只需考慮相機陣列的物理佈局。閃光燈和最近的相機鏡頭之間的距離是這裡的關鍵參數,因其決定了光在測量過程中傳播所必經的總距離。作者估計BPClip 可以與閃光燈到鏡頭距離最遠為16毫米的手機配合使用,這包括研究測試過的50款手機,其中只有四款除外。

在BPClip進入市場之前,可能還有一些問題需要解決,但作為一項概念驗證研究,它已顯示出巨大潛力。◇

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