24小时血压(BP)但目前对心血管风险筛查具有重要的预后价值BP设备主要为袖带式，不适合长期测量BP，尤其是晚上。本文开发了一种可穿戴臂带脉冲传输时间(PTT)24小时无袖带系统BP在无人值守的实验室外环境中进行测量和评估。10名健康的年轻受试者参与了这项动态研究，每30分钟测量一次可穿戴系统PTT，使用标准振荡动态血压监测器测量参考血压。针对BP和PTT两种BP由于设备测量原理不同，记录时间不一致，提出了一种新的估计方法：根据定义标准从原始数据中删除PTT记录中的瞬态，然后均匀插入，低通滤波，重采样BP同步。结果表明，夜间PTT动态范围为21.8 14.2 mmHg的收缩压(SBP)的相关性从0.50 0.24提高到0.62 0.20 (p <0.1)估计值与参考值之间的收缩压差为0.7 10.7 mmHg提高到2.8 8.2 mmHg，均方根误差从10开始.7 mmHg降低到8.7 mmHg。此外，该方法是在夜间获得的SBP极低频分量和PTT的相关性为0.80 0.10，而在动态BP范围13.5 8.0 mmHg两者的区别是2.4 5.7 mmHg。因此，从这项研究中可以得出结论，提出的可穿戴系统有很大的潜力用于夜间收缩压监测，特别是测量长期的平均收缩压。

心血管疾病(CVD)仍然是全球头号死因[1]。2008年，心血管疾病引起。全球有1 700万人死亡，占所有死亡人数的近三分之一，预计到2030年将达到2030年 330万人。血压(BP)是预测心血管事件最重要的危险因素之一。然而，由于白衣效应[3]可能无法反映正常，临床血压一直受到质疑。BP水平。24小时动态血压监测越来越多地应用于高血压[4]的临床诊断和治疗。其他相关参数，如夜间血压和血压变异性，已被证明可以预测CVD事件[5]、[6]提供独立的临床价值。

虽然门诊血压动态监测的重要性得到了认可，但目前的血压测量设备主要是袖带式的。袖带膨胀会引起不适，不适合长期监测，尤其是夜间。脉冲传递时间(Pulse transit time, PTT)被定义为脉搏从心脏传递到外周的时间，已被提议用作BP潜在替代指标[7][10]。由于PTT可以通过可穿戴设备[11][13]从心电图(ECG)和光体积描述图(PPG)它为动态血压监测提供了非常实用的解决方案。然而，目前的研究大多集中在BP和PTT短期相关性的目的是验证PTT对拍间BP估计潜力。例如，最近的两项研究报告了在实验室环境中连续一夜的血压和血压PTT，但只研究了几分钟内的搏动血压和PTT它们之间的相关性，而不是一夜之间的相关性。据作者所知，在实验室外的日常生活环境中，24小时或一夜之间的血压和血压尚未进行研究和调查PTT相关性。因此，本研究旨在讨论PTT能否在无人值守的环境中取代24hBP。

常用于以往的实验室研究[14]和[15]Finapres和Portapres作为基准BP测量装置。由于这些设备体积大，本研究选择了标准的24小时动态血压仪作为参考。参考装置每30分钟测量一次间歇性血压，以评估它们ptt24小时内的性能方法。

然而，这种24小时动态血压监测器的测量原理使其难以在24小时内获得同步血压PTT测量值。首先，虽然两种设备设置了相同的采样率（每30分钟采样一次），但由于24小时动态血压监测器的内置采样模式，在研究开始几个小时后往往不同步。第二，用袖口充气触发PTT记录可以更好地使两个设备同步，但由于其他实际问题：1）如果两个设备与物理电缆连接在受试者的手臂上，会给受试者带来极大的不便，因此医生不建议使用该设计；2）如果蓝牙等无线通信，无线模块功耗大，不适合24小时研究。第三，由于这种动态血压监测器的振荡测量原理具有间歇性，本质上很难使PTT与BP同步完全相同的节拍。具体来说，这种血压振荡装置是通过检测血压计袖带血流引起的最大振荡来测量的，假设血压在测量周期[17]中变化不大。这可能是合理的，要求受试者在实验室环境中保持静止。然而，对于24小时动态研究，血压可能在几秒钟内发生短暂变化，如行走、进食或饮用水、深呼吸和姿势变化[18][20]所示。由于很难知道设备上显示的血压读数是什么时候发生的，因此不可能在几秒钟内准确同步血压PTT。因此，需要同步重新采样BP和PTT。

图2显示了自动振荡法的测量。BP的原理。

本研究提出了克服上述同步问题的新处理算法。在此基础上，研究BP和PTT在24 h可穿戴设备的相关性和估计精度。

• PTT:采集到的ECG和PPG低通滤波分别进行，截止频率分别为30 Hz和16 Hz。ECG和PPG每发作1 min, PTT取ECG r峰与PPG上升沿斜率最大点之间的时间间隔。在进一步分析之前，人工丢弃运动伪影造成的信号质量差的数据段。

• 提出的PTT分析方法:根据睡眠和清醒时间，将受试者的24小时数据分为日间和夜间两部分BP和PTT的关系。由于BP和PTT它由两个单独的设备间歇测量，以及上述振荡测量BP应重新采样和校准测量局限性BP时的PTT记录。由于数据采集采样率低，无法捕获PTT变异性高频成分。因此，低通抗混叠滤波器应在重采前使用。此外，PTT可能会因日常活动而短暂变化；有些插话可能会引起误解。考虑到这些问题，我们提出了两种比较方法，如图3所示，如下图所示

图3所示。用本文的方法法。SBP和PTT例子。符号和线条表示如下:原始开圆SBP和PTT;十字符号去除瞬态；方法1虚线平滑数据；方法2实线平滑数据；开放三角形SBP平滑重采样到BP测量时间；实心三角形PTT通过方法2平滑到BP测量时间。

在方法1中，采样率为0.00056 Hz(即1/30/60 Hz)原始采样均匀重新采样SBP和PTT，然后使用截止频率低于截止频率Nyquist频率(即0.00028 Hz)低通滤波器平滑。截止频率为0.00019 Hz (1/30/60/3 Hz)低通巴特沃斯数字滤波器。在测量原始SBP平滑后的数据SBP(图3中的开放三角形)和PTT再采样。所有数据都采用线性插值法重新采样。

方法2包括以下处理步骤。1)从原始定义标准PTT当原始数据点和平滑数据(DPTT)当它们之间的偏差超过定义阈值时，原始数据点被视为瞬态，并从原始数据集中删除。前一项研究表明，姿势的改变会导致PTT[12]变化约为5%，因此排除所有受试者PTT确定为9的瞬变阈值 ms。2)重复方法1中的步骤(低通滤波和重采样)获得新的平滑度PTT(图3中的实心三角形)。3)去除SBP和PTT内插点位于昼夜过渡期。丢弃间隔大于3 h相邻两个原始数据点之间的插值。

计算方法1和方法2得到的每个受试者的收缩压和PTT相关性。

• BP非线性模型的估计:为了评估PTT是否有替代品BP本研究采用了我们在早期工作[10]中首次提出的非线性潜力BP-PTT模型具体说明如下:血压与PTT基于联系的基本概念Moens Korteweg该方程采用动脉壁侧向扩张时的弹性模量( E i n E_{in} Ein​)、动脉壁厚度(h)、舒张末期动脉半径®和血液密度(ρ)表示PWV，即。

此外，需要动脉壁弹性或顺应性作为BP函数的数学表示，以得到一个方程，允许从PWV估计BP。一个非常常用的实验发现是基于Hughes等人[21]对12只麻醉狗的体内和体外研究。本研究发现，弹性模量(Ein)随犬降主动脉在体平均血压(MBP)呈指数增长，即血管弹性模量(Ein)随降主动脉平均血压(MBP)呈指数增长。

P t P_{t} Pt​为MBP。人体动脉[22]也报道了弹性模量对BP的指数依赖性，并在图4中重现。根据(2)和图4的体内实验数据，(2)的系数可以拟合为: E 0 E_{0} E0​ = 1429 mmHg， γ = 0.031 mmHg − 1 ^{-1} −1。

将(2)代入(1)，得到MBP与PTT的对数关系，即

另一方面，根据Bramwell-Hill方程，

对于一个给定的脉冲，如果ΔP是脉压(PP)，即SBP和DBP的差值，假设动脉直径的变化可以忽略不计，则PP与 1 / P T T 2 1/PTT^{2} 1/PTT2成正比，即:

其中， P P 0 PP_{0} PP0​、 M B P 0 MBP_{0} MBP0​、 P T T 0 PTT_{0} PTT0​可通过校准得到。

由于MBP常被估计为 1 / 3 ⋅ S B P + 2 / 3 ⋅ D B P 1/3·SBP + 2/3·DBP 1/3⋅SBP+2/3⋅DBP，故由(3)和(5)可以分别估计出SBP和DBP

该模型的优点是只需要一个标定点即可确定单个参数，这对该方法的实际应用具有重要意义。在本研究中，采用BP和PTT的首次测量值进行校准，其余数据用于验证该模型的准确性。比较两种方法(方法1和方法2)以及不同参考文献(原始和平滑SBP)之间基于PTT的估计和参考装置之间的差异。

在大多数受试者中，24小时收缩压/舒张压与PTT之间的相关性非常弱。将24小时数据分为白天和夜间，所有受试者夜间平滑后的SBP与PTT呈中位数负相关，见表I。

表1比较两种分析方法在每个受试者不同时期平滑后的收缩压与PTT的相关系数

另一方面，白天收缩压与PTT之间没有一致的相关关系，有的呈正相关，有的呈负相关或不相关。方法2对大多数受试者白天收缩压和PTT的相关性没有明显改善。DBP与PTT的相关性非常少，本文未发现。两种方法处理的24h SBP和PTT数据的一个典型例子，以及平滑后的白天、夜间和24h SBP和PTT的相关性如图5所示。

图5所示。(a) 24 h参考SBP和PTT的典型例子。(b)方法1和方法2三个时间段的平滑SBP和PTT的相关性。

BP的变化范围、PTT与SBP的相关系数以及参考BP与方法1和方法2基于PTT估计的BP的差异见表2。方法2将原收缩压与PTT的相关性从 − 0.50 ± 0.24 -0.50\pm 0.24 −0.50±0.24提高到 − 0.62 ± 0.21 ( p < 0.1 ) -0.62 \pm 0.21 (p<0.1) −0.62±0.21(p<0.1)。此外，两种方法的平滑收缩压和PTT之间的相关性均显著强于原始收缩压和PTT(方法1为 − 0.61 ± 0.24 v s − 0.50 ± 0.24 -0.61\pm 0.24 vs -0.50\pm 0.24 −0.61±0.24vs−0.50±0.24，方法2为 0.80 ± 0.10 v s 0.62 ± 0.21 , p < 0.05 0.80\pm 0.10 vs 0.62\pm 0.21, p<0.05 0.80±0.10vs0.62±0.21,p<0.05)。

表二两种分析方法及不同文献的比较

方法1和方法2剔除第一个点用于单独校准后，分别有90对和70对夜间SBP和PTT被纳入方法1和方法2的估计。通过估计与参考SBP的差值的均值、标准差以及均方根误差(RMSE)来评价估计性能。表II显示，使用方法2，原始收缩压和平滑收缩压之间的均方根误差分别从10.7到8.7 mmHg和8.9到6.2 mmHg降低。方法1和方法2的ptt估计和原始收缩压之间的差异分别为0.7 10.7和2.8 8.2 mmHg。对于平滑的参考收缩压，方法1和方法2的差异分别为0.5 8.9和2.4 5.7 mmHg。所有受试者夜间收缩压的动态范围分别为80 - 145mmhg和91 - 141mmhg。图6为ptt估计与不同参考文献的Bland Altman图。

图6所示。Bland Altman图显示所有受试者夜间PTT估计值与参考收缩压的差值。(a)原始SBP作为参考。(b)平滑SBP作为参考。

图6所示。Bland Altman图显示所有受试者夜间PTT估计值与参考收缩压的差值。(a)原始SBP作为参考。(b)平滑SBP作为参考。模型描述了逐搏血压与PTT负相关的生理基础。然而，BP和PTT之间的这种关系是否在更长的时间内仍然成立还不得而知。本文在无人值守的实验室外环境下进行了24小时门诊研究，以探讨24小时内间歇性血压和PTT之间的关系。由于基于袖带和基于ptt的无袖带BP测量方法的测量原理不同，无法在同一时间点精确测量两个BP。因此，需要重新采样来计算PTT和BP之间的相关性。由于采样率很低，即采样间隔为30min，无法捕捉到BP和PTT中HF的波动，这就是采样定理。因此，插值前应先对BP和PTT进行低通滤波。我们发现平滑后的收缩压与PTT之间的相关性大于原始收缩压与PTT之间的相关性，这表明收缩压与PTT之间的关系是频率依赖的。这一结果与Liu研究[23]的结论一致，SBP的低频(LF)和高频(HF)比值，即低频/高频比值，比PTT高4倍左右。

之前的两项研究在实验室环境下调查了夜间BP-PTT的关系[14]，[15]。在Chua的研究中，夜间数据被分割成5分钟不重叠的epoch，这些epoch内SBP和PTT的相关性据报道约为0.2[14]。这一结果与我们的研究结果有很大的不同，这可能是由两个因素造成的:1)Chua的研究关注的频带为0 0.15 Hz，而本研究关注的频带为0 0.00019 Hz;2)在Chua的研究中，参考BP是由Portapres测量的，它可以提供连续BP水平的相对变化，而不是绝对BP水平，而本研究使用的是基于自动振荡测量原理[24]的标准动态BP装置。Vlahandonis研究以Finapres为参考，SBP与PTT呈良好的负相关(r = 0.57 0.65)。但是本研究也只调查了短期相关性，即每个睡眠阶段的500s，而没有调查夜间相关性[15]。另外，两篇研究都没有按照标准来评价BP估计的性能。在这方面，本研究首次调查了夜间BP PTT关系，并显示了PTT在无人值守环境下用于无袖带和夜间BP估计的潜力。

值得注意的是，从方法2的原始数据中去除PTT中的瞬态并不是因为它们不正确，而是为了提出一个更合理的度量来比较两种不同设备的测量结果。具体来说，由于测量原理的不同以及其他实际问题，导致两种BP设备的测量时间存在偏差。因此，在计算测量差值之前，需要重新采样来同步BP和PTT。但是由于PTT的采样率很低(1/30/60 Hz)，根据Nyquist采样定理，只能保留PTT中非常低频的分量(1/30/60 /2 Hz以内)。因此，瞬态附近的线性插值是不可靠的。因此，我们认为排除瞬态后得到的平滑线比包含瞬态后得到的平滑线更能代表真实的PTT趋势。例如图5(a)中实线由于存在第二个PTT异常值(开圆)而向下移动到蓝色虚线。因此，建议在重采样前去除瞬态信号。

• 在过渡时期忽略插值的基本原理:在白天和晚上的过渡时期忽略插值的基本原理是，由于非常低的采样率，在那些瞬时变化的PTT样本周围的插值不像在那些缓慢变化的PTT样本周围的插值可靠。健康受试者[25]的24小时PTT在白天和夜间的过渡时期发生了约20%的急剧变化，因此这些时期的线性插值是不真实的。为了评估PTT和BP之间的相关性，消除这种非系统误差源是合理的。去除这些点后，我们发现SBP与PTT之间的相关性明显改善。一些受试者通过方法2没有显示出显著的相关性改善，因为根据定义的标准，没有从夜间原始数据中去除瞬态。

• 血压和PTT之间的相关性:夜间与白天，收缩压和舒张压:我们发现，收缩压和PTT在夜间比白天表现出更好的负相关。有两个因素可能对白天PTT BP关系的影响比夜间更大:1)血管张力。有体内实验研究了平滑肌舒张收缩对PWV BP关系的影响，结果表明血管活性药物[22]、[26]可显著改变PWV BP关系。日间活动如姿势改变、步行和工作可调节血管张力，改变血压和PTT的关系。2)心电图Rpeak到PPG特征点的延迟时间包括射血前期(PEP)和脉搏波从心脏到外周传导时间，即血管传导时间。PEP是指心室去极化到主动脉瓣打开之间的时间延迟。在不同生理状态下，如压力、情绪、体力等，它可能随着静脉回流、心脏收缩力、动脉BP[27]而改变[28]。有研究表明，PEP在姿势改变和动态运动中[29]、[30]的PTT变化中有很大的贡献。在某些情况下，PEP与血管传输时间甚至呈相反方向变化[31]、[32]。以上原因可以解释SBP和PTT在白天的相关性不显著。另一方面，与由血管收缩状态和左室收缩共同决定的SBP不同，DBP与左室收缩无关，因此与PEP无关。这就是为什么DBP和PTT之间的相关性较弱。其他研究也报道了类似的结果，并提示血管运输时间而不是PTT与DBP[32]的相关性更强[33

• 原始和平滑收缩压的估计误差:基于ptt的估计和参考原始收缩压的差异在2.8 8.2 mmHg内，略高于医疗器械先进协会(AAMI)标准建议的差异，即5 8 mmHg。结果与Poon的研究(0.6 9.8 mmHg)[10]和另一项使用相同模型[34]的比较研究(1.2 9.7 mmHg)一致。有几个来源的系统误差的这个模型:1)弹性相关的参数γ被设定为一个常数为所有科目。由于动脉壁的弹性特性随年龄和性别而变化，减小这一误差的可行方案是根据受试者的性别和年龄采用不同的γ[9]。2) PTT的变化不仅与BP的变化有关，还与PEP和血管张力有关。在BP PTT模型中考虑这些混杂因素可以减少误差。此外，从SBP和DBP的分数来近似MBP是另一个误差来源。此外，在本研究中使用平滑的PTT估计原始BP也可能造成误差。由于BP和PTT的关系被证明是频率依赖的[23]，平滑的PTT可能无法准确估计BP的HF成分。这解释了为什么平滑后的BP估计比原始BP估计的结果更好。但是，该结果非常接近AAMI标准对BP测量装置的评价要求。因此，该可穿戴设备和所提出的估计方法为夜间无袖带BP估计提供了一种有效而实用的解决方案，众所周知，与白天BP[5]相比，夜间BP估计在预测CVD事件方面更具有临床价值。

基于ptt的估算值与平滑参考收缩压的差值2.4 5.7 mmHg远小于原始参考收缩压的差值。虽然目前没有研究评价平滑后的BP的临床价值，但它实际上包含不同的生理意义和重要的临床意义。我们知道，血压中的HF波动(>0.15 Hz)与呼吸的机械影响有关，而低频波动(0.05 0.15 Hz)与交感神经对血管舒张率[35]的调节有关。尽管低频低频(VLF)波动(<0.05 Hz)的机制尚不清楚，但我们认为，VLF可能依赖于肌源性调节或体温调节，这与HF和LF成分[36]提供了不同的信息。此外，临床常用的诊断高血压[37]的方法是每隔1分钟测量2 ~ 3次BP读数的平均值。此外，许多临床研究证实24小时动态血压平均值是预测CVD死亡的独立危险因素[3]，[38]。这些事实说明了血压平滑的临床意义。

本研究有一些局限性:1)BP和PTT没有对齐。然而，必须注意的是，在技术上，很难将两种测量原理不同的无创BP设备的测量结果完美地对齐。2)数据样本数量少。数据点的数量主要受参考血压仪采样频率的限制，参考血压仪的采样频率设置为每30分钟一次，正如世界上大多数24小时动态血压测量临床指南所概述的[4]，[39]，[40]。虽然重新采样后减少了采样点数，但对两种方法测量差异的判断更加公平。3)该方法在考虑日间瞬态变化的情况下，难以准确估计BP值。夜间的相关性要好得多，可能是因为这段时间的短暂事件较少。因此，缺乏同步对BP PTT相关性影响不大。但白天PTT和BP不存在瞬态变化，因此需要进行精确的同步。因此，应同时测量连续的BP和PTT。然而，两个主要的实际问题使得基于ptt的方法在移动环境中进行持续和长期BP估计的评估变得困难:1)可穿戴设备进行持续和长期PPG测量的高功耗;2)门诊使用连续血压参考装置的可用性。据我们所知，目前的连续血压仪要么是侵入式的，要么是不可携带的。基于这些考虑，本研究尽管有上述的局限性，但已经是使用最先进的技术，同时符合临床指南的最佳研究。尽管该研究在日间BP估计方面有一定的局限性，但仍具有重要的临床意义。本研究的结果表明，一旦在夜间开始校正，PTT可以提供不带袖带的夜间收缩压的准确估计。许多临床研究证实，在预测心血管疾病或事件方面，夜间收缩压比日间血压[5]、[38]更能预测临床结果。

本研究开发了一种基于PTT法的臂章式可穿戴式BP长期测量装置。进行24小时回家研究，以评估该设备的准确性。为了克服PTT可穿戴设备和振荡基准设备记录数据在时间上不重合的困难，提出了一种新的PTT分析方法。结果表明:夜间收缩压与PTT的相关性显著提高到 0.62 ± 0.21 0.62 \pm 0.21 0.62±0.21,PTT估算值与参考收缩压的差值为 2.8 ± 8.2 2.8\pm 8.2 2.8±8.2 mmHg。平滑收缩压后，结果进一步提高至 0.80 ± 0.10 0.80 \pm 0.10 0.80±0.10和 2.4 ± 5.7 2.4 \pm 5.7 2.4±5.7 mmHg。因此，本研究为夜间收缩压测量提供了完整有效的解决方案，对心血管风险筛查具有重要的临床价值。

未来，我们将开展更大规模的队列研究，包括更多的健康受试者和心血管病患者，以进一步验证这种可穿戴设备用于夜间血压监测的有效性