基于生物阻抗、阻抗心动图与心电图的无袖带动态血压监测方法验证研究

《European Journal of Applied Physiology》：Validation study on cuffless ambulatory blood pressure monitoring method using bio-impedance, impedance cardiography and electrocardiography

　　

持续、无创的血压监测对于理解真实世界环境中的心血管动力学至关重要。本研究评估了一种基于生物阻抗、阻抗心动图和心电图衍生的脉搏波传导时间的无袖带动态血压监测方法的信度与效度。研究人员检验了该方法是否能在不同条件下准确估计收缩压和舒张压。方法：41名年轻健康受试者完成了一项包含姿势变化、体力活动和心理压力任务的研究方案。提取脉搏到达时间（PAT）和脉搏传导时间（PTT），并使用个体特异性模型估计血压：（1）使用该个体全部数据（“双重 dipping”）——既往多数研究采用此方法；（2）使用个体一半数据（校准）；或（3）使用个体不变参数（免校准），后者可增强实际应用性。袖带式血压测量作为参考标准。评估了重测信度、结构效度与聚合效度。结果：对所有方法而言，基于PAT和PTT的血压估计均显示出较高的重测信度（ICC > 0.7），与袖带式测量相当。结构效度总体较差：体力活动期间的血压变化可被检测到，但对心理压力源的反应未被检测到。仅双重 dipping方法显示出可接受的聚合效度，这可能反映了过拟合。在校准方法中，与袖带式血压的趋同程度为中等（MAE = 10.1–12.9 mmHg），59.2–68.5%的估计值在参考值的10 mmHg以内。聚合效度下降最显著的是个体不变模型。结论：尽管基于无袖带脉搏波传导时间的血压估计器表现出较强的信度，但其效度不足以满足临床或压力研究应用，即使采用个体特异性校准亦然。未来研究应在自然情境测试之前探索延长校准周期。持续、无创的血压监测对于理解真实世界环境中的心血管动力学至关重要。本研究评估了一种基于生物阻抗、阻抗心动图和心电图衍生的脉搏波传导时间的无袖带动态血压监测方法的信度与效度。研究人员检验了该方法是否能在不同条件下准确估计收缩压和舒张压。方法：41名年轻健康受试者完成了一项包含姿势变化、体力活动和心理压力任务的研究方案。提取脉搏到达时间和脉搏传导时间，并使用个体特异性模型估计血压：（1）使用该个体全部数据（双重 dipping）——既往多数研究采用此方法；（2）使用个体一半数据（校准）；或（3）使用个体不变参数（免校准），后者可增强实际应用性。袖带式血压测量作为参考标准。评估了重测信度、结构效度与聚合效度。结果：对所有方法而言，基于PAT和PTT的血压估计均显示出较高的重测信度（ICC > 0.7），与袖带式测量相当。结构效度总体较差：体力活动期间的血压变化可被检测到，但对心理压力源的反应未被检测到。仅双重 dipping方法显示出可接受的聚合效度，这可能反映了过拟合。在校准方法中，与袖带式血压的趋同程度为中等（MAE = 10.1–12.9 mmHg），59.2–68.5%的估计值在参考值的10 mmHg以内。聚合效度下降最显著的是个体不变模型。结论：尽管基于无袖带脉搏波传导时间的血压估计器表现出较强的信度，但其效度不足以满足临床或压力研究应用，即使采用个体特异性校准亦然。未来研究应在自然情境测试之前探索延长校准周期。

基于生物阻抗、阻抗心动图与心电图的无袖带动态血压监测方法验证研究

**一、研究背景与问题**

血压（Blood Pressure, BP）是预测卒中和心脏疾病的重要生理指标。在日常情境中，BP水平并非静态，而是随姿势变化、体力活动和心理压力水平而动态波动。相较于实验室或门诊读数，动态记录期间获得的平均BP值能显著提升疾病结局预测能力。因此，提供日常情境下准确BP评估的方法具有重要的临床价值。此外，检测个体日内BP变化的能力对压力研究者至关重要，因为反复的BP反应性被认为是连接压力与心血管疾病的主要通路。

标准动态BP评估方法为袖带反复充气（通常每小时一次，睡眠期间常继续），但该方法被认为繁琐、具侵入性且伴有不适感，可能降低BP记录的有效性，尤其涉及BP与心理状态（包括压力）之间关系时。因此，研究者提出一种基于脉搏波传导时间的新型微干扰无袖带动态BP监测方法。该方法消除了袖带，可频繁提供BP测量（如每几分钟而非每小时），从而提供个体24小时内更丰富的BP曲线。然而，既往研究存在两大方法论问题：其一，多数研究使用同一数据集进行模型开发和聚合效度评估，形成“双重 dipping”（double-dipping）循环，因过拟合而人为夸大性能估计；其二，既往研究多在高度受限的实验条件下进行，方法在更自然情境下的表现尚不明确。

**二、研究目的与结论**

本研究旨在解决上述问题，具体目标为：（1）确立脉搏波传导时间（PW travel time）方法的重测信度；（2）检验其结构效度，即检测实验操纵引起的预期BP变化的能力；（3）检验其聚合效度，即与袖带式BP方法的对应程度。针对每个目标，研究者采用三种方法：（a）“双重 dipping”；（b）“校准”（calibration）；（c）“免校准”（calibration-free）。研究招募了41名年轻健康受试者（66%为女性，平均年龄21.1岁），完成了包含姿势变化、体力活动和心理压力任务（如连续减法、冷加压试验、靠墙深蹲、行走、慢跑和定频呼吸）的实验方案，共获得731个观测数据。袖带式BP监测仪（Novacor Diasys 3 Plus）作为参考设备。脉搏到达时间（PAT）和脉搏传导时间（PTT）从心电图（ECG）、阻抗心动图（ICG）和生物阻抗（BImp）信号中提取。

研究结论为：尽管基于PW传导时间的无袖带BP估计器表现出较强的重测信度（ICC > 0.85，与袖带式测量相当），但其效度不足以满足临床或压力研究应用。结构效度总体较差——体力活动引起的大幅收缩压变化可被检测到，但对心理压力源（冷加压试验、连续减法）的较小BP反应普遍未被检测到。仅双重 dipping方法显示出可接受的聚合效度（MAE = 6.5–7.6 mmHg），但可能反映过拟合；校正方法聚合效度中等偏差（MAE = 10.1–12.9 mmHg，59.2–68.5%的估计值在参考值10 mmHg以内）；免校准方法效度损失最严重（MAE = 10.9–13.6 mmHg，48–60%在10 mmHg以内），并出现明显的均值回归现象。因此，即使采用个体特异性校准，该方法的效度仍不满足临床或压力研究应用的要求。未来研究应探索延长校准周期后再进行自然情境测试。

**三、主要关键技术方法**

研究采用VU-AMS 5fs和VU-AMS Core设备分别采集BImp和ECG/ICG信号，采样率1000 Hz，使用四阶巴特沃斯带通滤波器滤波。以袖带充气启动为起点，对40秒片段内的ECG、ICG和BImp信号进行R峰对齐的集合平均以抑制噪声。PW传导时间计算基于ECG R峰和ICG B点作为起点，BImp信号最大值（max）和一阶导数最大值（d1）作为外周到达点。BP估计采用回归方程$\:{\text{B}\text{P}}_{\text{c}\text{u}\text{f}\text{f}\_\text{i}}\:=\:d+a\text{*}\frac{1}{{traveltime\_max}_{i}}+\:b\text{*}\frac{1}{{traveltime\_d1}_{i}}\:+\:c\text{*}{HR}_{i}+{\epsilon\:}_{i}$，对双重 dipping和校准方法使用个体特异性回归，对免校准方法使用多水平模型（以受试者为第二水平单位，固定斜率、随机截距）提取个体不变参数。统计分析方法包括组内相关系数（ICC）评估重测信度、Welch T检验评估结构效度（Bonferroni校正）、平均绝对误差（MAE）和Bland-Altman图评估聚合效度。

**四、研究结果**

**操作检验**：主观压力评分结果显示，连续减法任务（平均值5.7）和冷加压试验（平均值5.9）显著高于基线（平均值1.9），慢跑（3.5）和靠墙深蹲（4.9）也显著升高，定频呼吸（1.5）与基线无显著差异（p = 0.21）。

**朗读时生物阻抗信号质量**：朗读对BImp信号影响甚微，max和d1点清晰可辨，因此朗读条件纳入后续所有分析。相比之下，运动条件下的BImp信号受干扰较大，更常导致数据缺失。

**血压的条件效应**：袖带式BP明确显示实验操纵成功——BP最低值出现在仰卧静息条件，最高值出现在靠墙深蹲和慢跑条件。PW传导时间估计的BP仅部分复现了袖带BP的模式。PW传导时间与袖带收缩压（SBPCuff）呈较强负相关，与舒张压（DBPCuff）负相关较弱，部分情况下甚至呈正相关。

**重测信度**：三种方法均显示出高至优秀的ICC结果（0.85–0.98），仅校准方法的SBPPTT（ICC = 0.46）和DBPPTT（ICC = 0.67）较低。各条件的重测信度分析表明，双重 dipping方法的信度与袖带式测量相当或略高；校准方法总体信度在袖带式与估计值之间相似；免校准方法的PW估计ICC普遍高于袖带式测量。

**结构效度**：对于SBP，三种方法的PAT/PTT估计值与袖带值在11个条件比较中的方向一致性为8–9个；对于DBP，双重 dipping和校准方法为9–10个，免校准方法降至7–8个。然而，PW估计值仅能检测到靠墙深蹲和慢跑引起的SBP显著增高，以及姿势变化引起的DBP变化——心理压力条件（冷加压试验、连续减法）的BP反应在三种方法中均未被检测到。

**聚合效度**：双重 dipping方法MAE最低（6.5–7.6 mmHg），估计精度最高（74–78%在10 mmHg内）；校准方法MAE为10.1–12.9 mmHg，精度为59.2–68.5%；免校准方法MAE为10.9–13.6 mmHg，精度降至47.2–60%。免校准方法显示出明显的均值回归模式——低BP值被系统性高估、高BP值被系统性低估，部分参与者的所有BP值被一致性地高估或低估。未发现性别或BMI对聚合效度的明显调节作用。

**敏感性分析**：不含HR作为协变量的模型结果与含HR模型相当，HR的加入对结果的影响因条件而异。绝对误差随运动量（motility）增加而增大，该模式在校准方法中最为显著，免校准方法次之，双重 dipping方法最不明显。

**五、讨论与结论**

本研究的优势包括训练集与测试集的分离、纳入广泛实验条件以及样本量大于既往多数研究。局限性包括：样本为相对同质的年轻健康人群，不能代表临床需求最大的患者群体；运动伪迹使得体力活动期间无法同步测量BP；PW传导时间与DBPCuff的相关性弱且偶尔为正；袖带充气本身可能引起短暂的升压反应。

既往研究报告的平均误差约为3.5 mmHg、估计精度为64–90%，本研究观察到的聚合效度显著低于此，主要归因于训练-测试集分离和使用更广泛的条件范围。绝对误差随运动量增加而增大，提示即使轻微运动也会降低BP估计的准确性，这对该方法的日常应用可行性构成挑战。

PAT与PTT结果相当。理论上PTT因排除射血前期（PEP）而优于PAT，但实际结果未显示明显差异。PAT的实用优势在于依赖ECG R峰这一清晰标志，而PTT需要额外的ICG信号，增加了数据缺失风险。

四种关键发现：（1）双重 dipping做法人为膨胀了BP估计性能，应避免使用，独立训练和测试集是个体校准模型验证的必要条件；（2）验证研究应使用广泛条件范围，因为无运动的“理想化”条件会高估真实世界BP估计的效度；（3）即使在相对同质的样本中，免校准方法的表现也差于校准模型，凸显个体校准的必要性；（4）PAT与PTT结果相当，但PAT在实施方面可能具有实际优势。总体结论为：基于生物阻抗的PW传导时间无袖带BP评估方法，即使采用个体特异性校准，其效度仍不足以满足临床或压力研究应用。