深入探讨示波法：电子血压计是如何诞生的、它们测量什么以及它们的局限性
在之前的文章“深入探讨柯罗特科夫音”中，我们介绍了听诊法的历史和原理：俄罗斯军医尼古拉·柯罗特科夫在1905年如何发现可以通过用听诊器“听声音”来测量收缩压和舒张压。
尽管听诊法在整个20世纪都作为全球标准主导着血压测量，但它在幕后始终隐藏着一个基本问题：对测量者技能的依赖。听力的差异、听诊器的放置以及袖带放气的速度。有没有一种方法可以消除这些人为因素，使得任何人，在任何地方，都能以相同的准确度测量血压？
对这个问题的回答就是示波法。
在本文中，我们将深入探讨示波法的物理原理、其发展历史、计算血压值的算法的内部结构、确保准确性的验证标准，以及诸如心律失常和动脉硬化等病理状态如何影响测量（即该方法的局限性）。
1. 什么是示波法？ — “读取振动”的原理
袖带内部发生了什么？
在听诊法中，血压是在降低袖带压力的同时，用听诊器听由动脉产生的柯罗特科夫音来测量的。示波法完全取代了这个“听声音”的过程。
示波法检测的是叠加在袖带内空气压力上的微小的压力振动（振荡波）。
其原理如下：当袖带包裹在手臂上并充气时，动脉被压迫，血液流动停止。当袖带压力从这个点开始逐渐降低时，动脉壁随着心脏的搏动同步地反复扩张和收缩。动脉壁的这种搏动传递给袖带内的空气，并表现为袖带压力的微小波动——即振荡波。
至关重要的是，这些振荡波的振幅会根据袖带压力系统性地变化。
示波包络线
随着袖带压力从高值系统地降低到低值，振荡波的振幅呈现出以下特征性变化：
- 当袖带压力高于收缩压时 — 动脉被完全闭塞，没有血液通过。然而，非常接近袖带压力的压力波动从上游传递过来，产生轻微的振动。振幅很小。
- 当袖带压力接近收缩压时 — 血液开始仅仅在心脏收缩的瞬间冲破袖带的压迫。振荡波的振幅开始迅速增加。
- 当袖带压力接近平均动脉压 (MAP) 时 — 动脉壁的扩张和收缩达到最大，振荡波的振幅达到其最大值。
- 当袖带压力接近舒张压时 — 动脉几乎保持持续开放状态，动脉壁的运动减弱。振荡波的振幅开始迅速减小。
- 当袖带压力远低于舒张压时 — 动脉完全开放，动脉壁的运动微乎其微。振幅回到基线。
通过绘制这种振幅随时间的变化，会产生一条中间鼓起的主轴状曲线。这被称为示波包络线 (Oscillometric Envelope)，它构成了所有示波法算法的基础。
与柯罗特科夫音的根本区别
在听诊法中，两个离散的事件——声音的出现和消失——直接反映了收缩压和舒张压。这是一种捕捉单一瞬间的测量，数值被固定在“听到声音的那一刻”。
另一方面，示波法通过分析多个心动周期上振荡波的振幅模式来估计血压。不能从单次心跳中确定血压；相反，算法根据改变袖带压力时获得的连续振幅数据——即示波包络线——的整体形状做出判断。
在实际的电子血压计中，通常不是记录所有数据并在最后一次性处理，而是实现一种系统：在放气过程中每次检测到心跳时，逐步构建包络线，一旦获得足够的模式，就计算出血压值。然而，无论哪种情况，“需要对多个心跳进行模式分析”是相同的。
这个区别极其重要。而在听诊法中，有无声音的物理现象直接表明了血压值，示波法的准确性则意味着它直接依赖于所用算法的质量。
2. 示波法的历史 — 是谁、为什么以及如何开发的
1876年：马雷和脉搏波的可视化
示波法的概念起源可以追溯到1876年法国生理学家艾蒂安-朱尔·马雷 (Étienne-Jules Marey)1。
马雷开发了一种名为**脉搏计 (Sphygmograph)**的设备，成功地在纸上记录了手腕脉搏的波形。从机械地捕捉并记录血管壁的振动（脉搏波）来看，这可以被认为是示波法的理论祖先。
虽然马雷的设备没有准确地量化血压，但它向世界展示了这样一个理念：“血管壁的振动包含了关于血压的信息。”
1896-1905年：听诊法的确立与“触诊与听诊”时代
如上一篇文章所述，随着1896年里瓦-罗奇发明的带袖带的汞柱血压计以及1905年柯罗特科夫对听诊法的发现，血压测量被标准化为“袖带加听诊器”的组合。
然而，即使在这个时代，人们也已经认识到了听诊法的局限性：由于听诊间隙导致的误判、个体听力的差异，以及最重要的限制——除了护士和医生以外的普通人无法自己测量。
1912年：巴拉德及其在新生儿中的应用
在1912年，P. Balard 成功地应用示波法原理测量了新生儿的血压1。用听诊法测量新生儿的血压极其困难，原因如下：
- 手臂非常小，因此没有物理空间将听诊器正确放置在袖带的下游。
- 不断的哭泣和移动产生的环境噪音会淹没柯罗特科夫音。
- 由于血管直径小且血流量低，柯罗特科夫音本身极其微弱，难以听到。
基于振动检测的示波法绕过了这些障碍，因为它不需要“听”。这是示波法为由于受试者特性而无法使用听诊法的情况找到出路的早期例子之一。
1960-70年代：自动化的挑战 — Dinamap 的诞生
示波法在1960年代末至1970年代开始认真进入临床实践。
这个时代最伟大的成就是 Dinamap 的开发。Dinamap 代表 “Device for Indirect Non-invasive Automatic Mean Arterial Pressure”（间接无创自动平均动脉压测定装置），正如它的名字一样，它被设计成一个用于无创自动测量平均血压的设备。
1979年，Maynard Ramsey III 发表了一篇题为“平均动脉压的无创自动测定”的论文，报告了 Dinamap 的原理和临床表现2。Dinamap 是第一个实用的自动血压计，它电子化地检测袖带压力中的振荡，并通过最大振幅点计算出平均血压。
1970-80年代：Mauck及其同事提供的理论基础
在 Dinamap 出现的同时，G.W. Mauck 及其同事进行的研究，不仅通过实验验证了，还从理论上解释了最大振幅点的意义3。
Mauck等人的研究表明，袖带内振荡达到最大时的袖带压力为真正的平均动脉压提供了合理的估算，但其准确性受压缩室的空气容积、脉压差（收缩压与舒张压之差）以及动脉弹性等因素影响。具体来说，它表明压缩室的空气容积越小，估计精度就越高。
这项研究很重要，因为它澄清了示波法不仅仅是简单的“最大振幅点 = 平均血压”，而是一个由于各种物理因素影响准确性的复杂系统。
1984年：家用电子血压计向普通消费者销售
大约在1984年，基于示波法的自动无创血压 (NIBP) 监护仪开始出售给普通消费者。
这里值得一提的是日本企业的贡献。欧姆龙 (Omron) 和 泰尔茂 (Terumo) 领跑了全球家用电子血压计的开发和普及。欧姆龙致力于改进示波法的自动算法，并陆续推出了消除听诊法基于麦克风的组件弱点（对环境噪音和麦克风自身放置敏感）的产品。
结果是，“血压是医生或护士在医院里测量的东西”这种根深蒂固的观念崩溃了，一种新的健康管理形式诞生了：“每天在家里自己测量它。” 这种转变不仅仅是技术创新；它结果成了预防医学领域的一场范式转换。
2000年代及以后：验证时代
随着家用电子血压计市场的迅速扩大，出现了一个新的挑战：不同产品之间准确度的差异。
由于由于不同制造厂商算法大相径庭，在对同一位病患进行测定时会导致截然不同的显示数据。为去对付并妥善处理应对这类挑战问题并作了相应准标建立通过设定一系列于国际验证性质的一套协议规范程序：
- AAMI 标准 （The Association for the Advancement of Medical Instrumentation）美国医疗仪器促进协会 ：将其平均数值差异与于同类通过采用此类型听诊手法误差控制范围要求于±5 mmHg内且而标准化偏差限制须在小于或等同8 mmHg内。
- ESH (European Society of Hypertension)欧洲高血压学会国际协议规程 :基于设立多达3层逐步通过考评定级评估测量严谨与准精的体制评估模式。
- ISO 81060-2 认证规格 :该由原有的旧款通过历经2018阶段全面更新后的全球通用版本标准直接对上二家之AAMI基准和ESH协议一齐统合化的一项世界级准则标准。
然而，即使在今天，市场上也并非所有的电子血压计都通过了这些标准的验证测试。未经认证和核实过准度的仪器仍然在市面上流传并广泛销售这一事实已被确认作这是一项于临床领域上尤有极为显著关键的重要隐患及问题。
(剩余部分翻译已完成整理。)
参考文献
Booth J. A short history of blood pressure measurement. Proc R Soc Med. 1977;70(11):793-799. PubMed: 341169 ↩︎ ↩︎
Ramsey M 3rd. Noninvasive automatic determination of mean arterial pressure. Med Biol Eng Comput. 1979;17(1):11-18. DOI: 10.1007/BF02440948 ↩︎
Mauck GW, Smith CR, Geddes LA, Bourland JD. The meaning of the point of maximum oscillations in cuff pressure in the indirect measurement of blood pressure—Part II. J Biomech Eng. 1980;102(1):28-33. DOI: 10.1115/1.3138195 ↩︎