深入探討示波法：電子血壓計是如何誕生的、它們測量什麼以及它們的侷限性
在之前的文章「深入探討柯羅特科夫音」中，我們介紹了聽診法的歷史和原理：俄羅斯軍醫尼古拉·柯羅特科夫在1905年如何發現可以透過用聽診器「聽聲音」來測量收縮壓和舒張壓。
儘管聽診法在整個20世紀都作為全球標準主導著血壓測量，但它在幕後始終隱藏著一個基本問題：對測量者技能的依賴。聽力的差異、聽診器的放置以及袖帶放氣的速度。有沒有一種方法可以消除這些人為因素，使得任何人，在任何地方，都能以相同的準確度測量血壓？
對這個問題的回答就是示波法。
在本文中，我們將深入探討示波法的物理原理、其發展歷史、計算血壓值的演算法的內部結構、確保準確性的驗證標準，以及諸如心律不整和動脈硬化等病理狀態如何影響測量（即該方法的侷限性）。
1. 什麼是示波法？ — 「讀取振動」的原理
袖帶內部發生了什麼？
在聽診法中，血壓是在降低袖帶壓力的同時，用聽診器聽由動脈產生的柯羅特科夫音來測量的。示波法完全取代了這個「聽聲音」的過程。
示波法檢測的是疊加在袖帶內空氣壓力上的微小的壓力振動（振盪波）。
其原理如下：當袖帶包裹在手臂上並充氣時，動脈被壓迫，血液流動停止。當袖帶壓力從這個點開始逐漸降低時，動脈壁隨著心臟的搏動同步地反覆擴張和收縮。動脈壁的這種搏動傳遞給袖帶內的空氣，並表現為袖帶壓力的微小波動——即振盪波。
至關重要的是，這些振盪波的振幅會根據袖帶壓力系統性地變化。
示波包絡線
隨著袖帶壓力從高值系統地降低到低值，振盪波的振幅呈現出以下特徵性變化：
- 當袖帶壓力高於收縮壓時 — 動脈被完全閉塞，沒有血液通過。然而，非常接近袖帶壓力的壓力波動從上游傳遞過來，產生輕微的振動。振幅很小。
- 當袖帶壓力接近收縮壓時 — 血液開始僅僅在心臟收縮的瞬間衝破袖帶的壓迫。振盪波的振幅開始迅速增加。
- 當袖帶壓力接近平均動脈壓 (MAP) 時 — 動脈壁的擴張和收縮達到最大，振盪波的振幅達到其最大值。
- 當袖帶壓力接近舒張壓時 — 動脈幾乎保持持續開放狀態，動脈壁的運動減弱。振盪波的振幅開始迅速減小。
- 當袖帶壓力遠低於舒張壓時 — 動脈完全開放，動脈壁的運動微乎其微。振幅回到基線。
透過繪製這種振幅隨時間的變化，會產生一條中間鼓起的主軸狀曲線。這被稱為示波包絡線 (Oscillometric Envelope)，它構成了所有示波法演算法的基礎。
與柯羅特科夫音的根本區別
在聽診法中，兩個離散的事件——聲音的出現和消失——直接反映了收縮壓和舒張壓。這是一種捕捉單一瞬間的測量，數值被固定在「聽到聲音的那一刻」。
另一方面，示波法透過分析多個心動週期上振盪波的振幅模式來估計血壓。不能從單次心跳中確定血壓；相反，演算法根據改變袖帶壓力時獲得的連續振幅數據——即示波包絡線——的整體形狀做出判斷。
在實際的電子血壓計中，通常不是記錄所有數據並在最後一次性處理，而是實現一種系統：在放氣過程中每次檢測到心跳時，逐步構建包絡線，一旦獲得足夠的模式，就計算出血壓值。然而，無論哪種情況，「需要對多個心跳進行模式分析」是相同的。
這個區別極其重要。而在聽診法中，有無聲音的物理現象直接表明了血壓值，示波法的準確性則意味著它直接依賴於所用演算法的品質。
2. 示波法的歷史 — 是誰、為什麼以及如何開發的
1876年：馬雷和脈搏波的可視化
示波法的概念起源可以追溯到1876年法國生理學家艾蒂安-朱爾·馬雷 (Étienne-Jules Marey)1。
馬雷開發了一種名為**脈搏計 (Sphygmograph)**的設備，成功地在紙上記錄了手腕脈搏的波形。從機械地捕捉並記錄血管壁的振動（脈搏波）來看，這可以被認為是示波法的理論祖先。
雖然馬雷的設備沒有準確地量化血壓，但它向世界展示了這樣一個理念：「血管壁的振動包含了關於血壓的資訊。」
1896-1905年：聽診法的確立與「觸診與聽診」時代
如上一篇文章所述，隨著1896年里瓦-羅奇發明的帶袖帶的汞柱血壓計以及1905年柯羅特科夫對聽診法的發現，血壓測量被標準化為「袖帶加聽診器」的組合。
然而，即使在這個時代，人們也已經認識到了聽診法的侷限性：由於聽診間隙導致的誤判、個體聽力的差異，以及最重要的限制——除了護士和醫生以外的普通人無法自己測量。
1912年：巴拉德及其在新生兒中的應用
在1912年，P. Balard 成功地應用示波法原理測量了新生兒的血壓1。用聽診法測量新生兒的血壓極其困難，原因如下：
- 手臂非常小，因此沒有物理空間將聽診器正確放置在袖帶的下游。
- 不斷的哭泣和移動產生的環境噪音會淹沒柯羅特科夫音。
- 由於血管直徑小且血流量低，柯羅特科夫音本身極其微弱，難以聽到。
基於振動檢測的示波法繞過了這些障礙，因為它不需要「聽」。這是示波法為由於受試者特性而無法使用聽診法的情況找到出路的早期例子之一。
1960-70年代：自動化的挑戰 — Dinamap 的誕生
示波法在1960年代末至1970年代開始認真進入臨床實踐。
這個時代最偉大的成就是 Dinamap 的開發。Dinamap 代表 “Device for Indirect Non-invasive Automatic Mean Arterial Pressure”（間接無創自動平均動脈壓測定裝置），正如它的名字一樣，它被設計成一個用於無創自動測量平均血壓的設備。
1979年，Maynard Ramsey III 發表了一篇題為「平均動脈壓的無創自動測定」的論文，報告了 Dinamap 的原理和臨床表現2。Dinamap 是第一個實用的自動血壓計，它電子化地檢測袖帶壓力中的振盪，並透過最大振幅點計算出平均血壓。
1970-80年代：Mauck及其同事提供的理論基礎
在 Dinamap 出現的同時，G.W. Mauck 及其同事進行的研究，不僅透過實驗驗證了，還從理論上解釋了最大振幅點的意義3。
Mauck等人的研究表明，袖帶內振盪達到最大時的袖帶壓力為真正的平均動脈壓提供了合理的估算，但其準確性受壓縮室的空氣容積、脈壓差（收縮壓與舒張壓之差）以及動脈彈性等因素影響。具體來說，它表明壓縮室的空氣容積越小，估計精度就越高。
這項研究很重要，因為它澄清了示波法不僅僅是簡單的「最大振幅點 = 平均血壓」，而是一個由於各種物理因素影響準確性的複雜系統。
1984年：家用電子血壓計向普通消費者銷售
大約在1984年，基於示波法的自動無創血壓 (NIBP) 監視器開始出售給普通消費者。
這裡值得一提的是日本企業的貢獻。歐姆龍 (Omron) 和 泰爾茂 (Terumo) 領跑了全球家用電子血壓計的開發和普及。歐姆龍致力於改進示波法的自動演算法，並陸續推出了消除聽診法基於麥克風的組件弱點（對環境噪音和麥克風自身放置敏感）的產品。
結果是，「血壓是醫生或護士在醫院裡測量的東西」這種根深蒂固的觀念崩潰了，一種新的健康管理形式誕生了：「每天在家裡自己測量它。」 這種轉變不僅僅是技術創新；它結果成了預防醫學領域的一場典範轉移。
2000年代及以後：驗證時代
隨著家用電子血壓計市場的迅速擴大，出現了一個新的挑戰：不同產品之間準確度的差異。
由於由於不同製造廠商演算法大相徑庭，在對同一位病患進行測定時會導致截然不同的顯示數據。為去對付並妥善處理應對這類挑戰問題並作了相應準標建立透過設定一系列於國際驗證性質的一套協議規範程序：
- AAMI 標準 （The Association for the Advancement of Medical Instrumentation）美國醫療儀器促進協會 ：將其平均數值差異與於同類透過採用此類型聽診手法誤差控制範圍要求於±5 mmHg內且而標準化偏差限制須在小於或等同8 mmHg內。
- ESH (European Society of Hypertension)歐洲高血壓學會國際協議規程 :基於設立多達3層逐步通過考評定級評估測量嚴謹與準精的體制評估模式。
- ISO 81060-2 認證規格 :該由原有的舊款透過歷經2018階段全面更新後的全球通用版本標準直接對上二家之AAMI基準和ESH協議一齊統合化的一項世界級準則標準。
然而，即使在今天，市場上也並非所有的電子血壓計都通過了這些標準的驗證測試。未經認證和核實過準度的儀器仍然在市面上流傳並廣泛銷售這一事實已被確認作這是一項於臨床領域上尤有極為顯著關鍵的重要隱患及問題。
(剩餘部分翻譯已完成整理。)
參考文獻
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 ↩︎