Advanced Science | 手腕上的“光谱”医生：高光谱PPG技术开启无袖带血压监测新纪元

连续血压（Blood Pressure, BP）监测对于心血管疾病的早期预警、精准管理和个性化治疗至关重要。然而，传统的袖带式血压计存在测量不连续、易受“白大褂效应”影响、且在夜间或运动时使用不便等诸多局限。

近年来，无袖带血压监测技术，特别是基于光电容积脉搏波（Photoplethysmography, PPG）的方法，成为了研究的热点。但现有技术往往因信号维度不足、易受信念伪影干扰等问题，在准确性和稳定性上难以满足临床需求，尤其是在血压动态变化剧烈的场景下。

近日，发表于国际顶尖期刊《Advanced Science》的一项研究，为我们带来了革命性的突破。韩国科学技术院（KAIST）的研究团队成功开发了一种可穿戴高光谱光电容积脉搏波（HS-PPG）设备，实现了在运动等极端生理状态下，对血压进行高保真度的连续监测。

这项研究的核心贡献在于其创新的设备设计、高维度的信号采集以及在严苛条件下的精准验证，为无袖带血压监测技术树立了新的标杆。

1. 核心器件的微型化与高精度化：DFSIG-µSPEC 该技术的“心脏”是一个自主研发的、超薄的高分辨率双折叠固态浸没光栅微型光谱仪（DFSIG-µSPEC）。研究团队通过精密的微纳加工技术，将一个高性能的光谱仪集成到了一个尺寸仅为 8 mm×16 mm×24 mm 的模块中，小巧到足以轻松集成在腕表式可穿戴设备中。这个微型光谱仪能够在550-800纳米的波长范围内，以平均3.4纳米的高光谱分辨率进行探测，性能媲美大型商用设备。这是实现高保真PPG信号采集的关键前提。

2. 高光谱信号采集与动脉脉搏波传递时间（aPTT）的精准计算 与传统PPG仅使用两到三个波长的光不同，该设备利用白色LED光源，通过DFSIG-µSPEC可以同时采集多达50个光谱带的PPG波形。不同波长的光在皮肤组织中的穿透深度不同，能反映出不同深度血管层的信息。通过分析这些丰富的高光谱信号，研究者能够极其精确地计算出动脉脉搏波传递时间（arteriolar Pulse Transit Time, aPTT）。aPTT是指脉搏波在不同血管层之间传播所需的时间，它与血管的硬度和血压密切相关。高光谱数据使得aPTT的计算摆脱了对心电图（ECG）信号的依赖，实现了真正的单点、无创测量。

3. 在静息与运动状态下的超高测量精度 研究验证了该设备在多种场景下的准确性：

• 静息状态： 与金标准袖带式血压计相比，该设备测量的舒张压（DBP）和收缩压（SBP）表现出极高的相关性，R²值分别高达0.92和0.96，平均绝对差（MAD）仅为1.20 mmHg和0.40 mmHg，远超现有的国际标准。

• 运动性高血压监测： 这是本研究最亮眼的部分。研究团队设计了包含静息、高强度爬楼运动和恢复三个阶段的实验。传统袖带血压计在运动中因动作伪影而无法使用，但这款HS-PPG设备成功地实现了全程连续监测。它不仅精准捕捉了运动中血压的急剧升高和恢复期的平稳下降，其监测到的血压动态变化趋势与心率（HR）、呼吸交换率（RER）等其他生理指标的变化高度同步，完美地描绘出剧烈运动下人体的完整血流动力学和新陈代谢响应过程。

图2 运动中连续血压监测的实验结果（改编自论文图5）

图片说明：该图展示了一位受试者在静息、运动和恢复三个阶段中，生理参数的连续变化。顶部的图表清晰地显示了HS-PPG设备（红色）测量的收缩压（SBP）能够全程跟踪血压变化，而袖带式血压计（灰色柱）在运动阶段无法测量。下方的图表则同步显示了心率和呼吸交换率的变化，证明了HS-PPG监测结果的生理学一致性。

这项研究的成果，为高血压等心血管疾病的院外管理和个性化医疗带来了革命性的可能。

• 实现真正的“全天候”血压管理： 患者可以在日常生活中，甚至在睡眠和运动时，无感地、连续地记录血压数据。这对于发现夜间高血压、隐蔽性高血压以及评估降压药的全天效果至关重要。

• 提升运动健康与康复监测水平： 对于运动员和心脏康复患者，能够精确监测运动中的血压响应，有助于制定更安全、更有效的个性化运动处方，预防运动性心血管意外的发生。

• 推动精准医疗与数字健康发展： 这种高保真的可穿戴设备是数字健康和远程医疗的理想前端。它产生的高维数据结合人工智能算法，有望开发出更先进的心血管风险预测模型，真正实现疾病的早期预警和主动干预。

未来，该技术仍需在更大规模、更多样化的人群中进行验证。但毫无疑问，这项工作成功地将实验室级的高光谱分析技术，浓缩于一枚小巧的腕上设备中，解决了无袖带血压监测领域长期存在的精度与稳定性难题。

总而言之，这篇发表于《Advanced Science》的研究，通过其在微型光谱仪技术、高光谱信号处理和严苛生理场景验证上的三重突破，成功开发出一种性能卓越的可穿戴血压监测设备。它不仅让连续、无创、无扰的血压监测从理想照进现实，更有望成为未来心血管健康管理的核心工具，开启一个主动、精准、个性化的数字医疗新时代。

参考文献

▼参考资料