血壓篇（7）：淺談連續性非侵入式動脈壓監測系統

文：張國柱（Chang，Kuo-Chu）

        台大名譽教授 

 

日期：2022/03/11

 

無論是高血壓（hypertension）或低血壓（hypotension）都可能對重要器官如頭部、心臟、腎臟造成傷害，因此血壓的監控在臨床上非常重要，尤其是對重症的病患而言。

 

血壓的監測可分為侵入式（invasive）和非侵入式（non-invasive）兩種：前者需要專業人員執行動脈插管，將血壓傳感器（pressure sensor）置入動脈，量測血壓的連續性訊號（continuous signal）；後者可分為間竭性（intermittent）和連續性，上臂袖口式血壓測量（cuff pressure measurement）便是間竭性的一種。由於侵入式的血壓測量需要專業人員、耗時又有潛在嚴重的後遺症（雖然非常鮮見），如栓塞、缺血、神經或血管的傷害，因此連續性非侵入式血壓（continuous non-invasive blood pressure，cNIBP）監測系統在臨床應用上，益形重要，尤其是在重症監護和麻醉學方面。本文將聚焦於 cNIBP 測量技術之發展及其優、缺點和臨床適用性的討論。

 

cNIBP 監測系統

cNIBP 監測系統所使用之方法可有：（1）Penaz 所發展之體積鉗技術（volume clamp technique），（2）動脈壓平式測壓法（arterial applanation tonometry），（3）基於脈波速度（pulse wave velocity，PWV）之演算法。

 

體積鉗技術

Penaz 所使用的方法是將壓力經由閉塞式袖口（occluding cuff）施加於手指，以光學元件量測手指動脈之體積，並將其固定，繼而變化壓力以估測血壓之連續訊號。體積鉗技術的缺點是：（1）精確度受儀器再校正的步驟影響很大，（2）收縮壓（systolic BP）有高估之嫌，（3）量測部位可因連續使用而有靜脈充血（venous congestion）的風險，（4）重複、長時間的使用可造成病患極度的不舒服和疼痛感，不適合長時間的使用。

 

動脈壓平式測壓法

壓平式測壓法是將壓力施加於淺層動脈如橈骨動脈（radial artery），導致血管變形（壓平）而間接地估測動脈壓之連續性訊號。此法雖可克服血管閉塞式測量法的缺點與困擾，然而壓平式測壓法亦有其問題，極待解決，如元件擺放位置的不正確、量測過程病人的晃動都會造成讀數的不精準。此外基準線的校正也是一大挑戰，因為它也需要閉塞式袖口的輔助。

 

為了儘可能避開上述的缺點，衆多估測 cNIBP 的方案中，基於 PWV 或其倒數的脈波傳輸時間（pulse transit time，PTT）、脈波傳抵時間（pulse arrival time，PAT）之理論和技術，相當引人注目。PTT 與 PAT 之差異，請見附註說明。

 

PTT-cNIBP 之理論與技術

脈波從動脈循環的近心端（proximal site）傳輸至週邊遠端（distal site）所需的時間便是 PTT，因此 PWV 與近、遠兩端量測位置的距離（D）及脈波傳輸所需的 PTT 之間的關係如下：

 

PWV = D/PTT ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（1）

 

由於動脈管的彈性和 PWV 有關，可用 Moens-Kortweg （MK）方程式描述如下：

 

PWV = (hE/ρd)^1/2 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（2）

 

h 為動脈管的厚度，d 為其直徑，ρ為血液密度，E 為血管之彈性模數（elastic modulus），E = E₀e^aP，E₀ 為零壓之彈性模數，a 為特定血管之常數（0.016～0.018 mmHg^-1）。

 

由公式（1）和（2）可知：高的動脈壓可造成高的 PWV，導致低的 PTT。因此基於 PTT/PAT 之理論，估測 cNIBP 所需之步驟如下：

 

（1） 測得近心端和遠心端之波形，

 

（2） 使用近、遠兩端波形之腳-至-腳（foot-to-foot）或波頂-至-波頂的時間間隔計算 PTT，

 

（3） 校正各個動脈參數以便建構 PTT-BP 之關係式。

 

PTT-BP 監測系統中最常見的組合是心電圖（electrocardiography，ECG）和光體積變化描記圖（photoplethysmography，PPG）之配對。以 ECG 之 R-波頂為起點，PPG 之峯頂或 PPG 訊號之一次或二次導數的峯頂為終點，起點、終點之間的時間延遲便是 PAT。由於 PAT 包含與 BP 無關的射血前期（pre-ejection period，PEP），這使得 PAT-BP 模型的精確度令人有所質疑。因此甚多的研究改採阻抗心電圖（impedance cardiography，ICG）取代 ECG，以便消除 PEP 的干擾。此外 Huynh 等人使用 PPG 、阻抗體積描記術（impedance plethysmography，IPG）的組合計算 PTT，配合阻抗振幅（impedance magnitude）建立 PTT-IPG-BP 模型，估測 cNIBP。

 

PTT-IPG-BP 模型

根據 Bramwell-Hill 方程式， PWV 與動脈管截面積（cross-sectional area，A）之關係如下：

 

PWV = (AdP/ρdA)^1/2 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（3）

 

公式（3）稍作整理可得

 

dP = ρPWV²(dA/A) ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（4）

 

對 dP、dA 積分可得

 

P(t) = P₀ + ρ PWV^1/2 ln[A(t)/A₀] ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（5）

 

P₀ 是對應截面積 A₀ 之血壓。IPG 所量測的體節阻抗（impedance of body segment，Z） 與 A 成反比關係，也就是A = ρL/Z。體節阻抗可視為動脈阻抗（arterial impedance，Z_a）與組織阻抗（tissue impedance，Z_t）之並聯，也就是 1/Z = 1/Z_a + 1/Z_t。由於 Z_t 為常數，因此

 

ΔA ≈ ρ_b L ΔZ/Z_b² ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（6）

 

ρ_b 為血液電阻率，Z_b 代表體節之基礎阻抗。由公式（1）、（5）、（6）可知： BP 可用 PTT 和 Z 表示之。PTT-IPG-BP 之關係式如下：

 

P(t) = P₀ + ρ(D²/PTT²)ln{1 + K[(Z₀ – Z(t)]) ⋯⋯⋯⋯⋯（7）

 

K 為常數，K = Z_a0/Z₀²，Z_a0 代表 P₀ 所對應之動脈阻抗，Z₀ 代表 P(t)為 SBP 或 DBP 取代時之體節阻抗。由於阻抗 Z 與截面積 A 成反比，BP 與 A 成正比，因此 IPG 阻抗之最大振幅 Z_max所對應之血壓為 DBP，而最小振幅 Z_min 所對應之血壓為 SBP。公式（7）顯示：從腕關節至手指之固定距離D，結合兩端點間脈波傳輸所需之時間 PTT 便可估測跳-至-跳（beat-to-beat）的cNIBP 訊號了。

 

PTT-cNIBP 模型之潛在問題

雖然PTT-cNIBP推估法很令人期待，但是波傳輸理論所涉及的 MK 方程式，依然有所爭議。實驗結果顯示：MK 方程式所使用之彈性模數 E 不僅取決於 BP，而且與近心端彈性動脈的老化有關；週邊動脈的彈性模數，卻受 BP 和血管平滑肌所調控。因此所有 PTT-cNIBP 推估法的準確性將受到 E-BP 關係之信賴度所影響。此外 cNIBP 技術的成功與否，取決於訊號的可信賴度、雜訊、傳感器所擺放的位置、波傳輸以及校正的參數。cNIBP 在臨床實用性的兩大挑戰則為：頻繁校正的需求與晃動所造成虛假訊號的影響。

 

結語

本文簡單介紹了cNIBP 測量技術之發展及其優、缺點和臨床適用性。無論是 Penaz 法或是壓平式測壓法或是 PTT-cNIBP 模型，所測得的週邊動脈壓訊號（如橈骨動脈）若能經由可信度高的轉移函數（transfer function）之運算而得到近心主動脈壓訊號（central aortic pressure signal），配合血行力學的分析（請見「張國柱血行力學實驗室」），便可呈現更完整的血管物理特性和心臟-動脈交互作用的重要資訊（請見「動脈壓的生理意義」），對疾病的診斷和藥效評估，提供更完整、更有用的臨床參考。由此可知，可信度高的非侵入式血壓監測系統在重症監護室、麻醉學、甚至是診間的應用上將實現突破性的大變革。

 

附註說明

對一段動脈管而言，PTT 是血壓波由血管的一端傳輸至另一端所需的時間，PAT 則是脈波抵達動脈管某一特定點所需的時間。PAT 可經由 ECG 訊號之 R-波峰和和光體積變化描記圖（photoplethysmogram，PGG）的某一特定點之間的時間延遲所衡量，是 PTT 和射血前期（pre-ejection period，PEP）之和：

 

PAT = PTT + PEP

 

PEP 是將電訊號轉換成力學泵送力（pumping force）和左心室等體積收縮迫使主動脈瓣打開所需的時間，與 BP 無關。