持續無創監測血壓（BP）對心血管疾病的控制至關重要。傳統的基于袖帶的方法雖然準確，但對于連續使用往往不方便且不切實際。光體積脈搏波描記術（Photoplethysmography，PPG）是一種非侵入性的光學技術，作為一種很有前途的替代技術，其在耳后的應用尤其受到關注。本文深入研究了用于BP測量的耳后PPG的技術原理，提供了全面的市場分析，并強調了其在數據準確性方面的顯著優勢，同時也承認了當前的局限性。

高血壓是全球主要的健康問題，有必要定期和準確地監測血壓。目前的金標準方法，如使用血壓計的聽診法，提供間歇性讀數，對于長期或連續監測可能很麻煩。因此，開發無創、連續的血壓監測技術是一個重要的研究領域。光容積脈搏波（Photoplethysmography，PPG）是一種簡單、經濟的光學技術，用于測量組織微血管床的血容量變化，因其在該領域的潛力而獲得了相當大的關注。雖然PPG已經在手指和手腕等部位得到了廣泛的探索，但耳后區域為基于PPG的血壓測量提供了一個獨特而有利的位置。本文旨在對這一新興技術進行全面概述。

01耳后PPG血壓測量技術原理

光電容積脈搏波（PPG）基礎

PPG基于光學檢測微血管血容量變化，一個典型的PPG傳感器由一個發光二極管（LED）和一個光電探測器組成。LED發出的光穿透皮膚，被包括血液在內的各種組織成分吸收或散射光電探測器測量通過組織傳輸或從組織反射的光量。由于每次心跳時小動脈和毛細血管中的血容量發生變化，吸收或反射的光量也發生變化，從而產生脈動波形——PPG信號包括脈動（AC）成分，代表由于心臟同步搏動引起的血容量變化，以及非脈動（DC）成分，代表平均血容量和組織特征。

比爾-朗伯定律解釋了光強在穿過介質時的衰減。在PPG中，搏動血流引起的血液中血紅蛋白濃度的變化直接影響到檢測到的光量，從而形成PPG波形的基礎。不同波長的光能穿透的深度不同，波長較長的光（如紅外線）一般能穿透更深的。

從PPG估計血壓

雖然PPG直接測量血容量變化，但從PPG信號估計血壓涉及更復雜的算法，通常利用PPG波形與動脈僵硬度和脈搏波傳播之間的關系。常用的主要方法有兩種：

脈沖傳遞時間（PTT）和脈沖到達時間（PAT）： PTT是脈沖波在兩個動脈部位之間傳遞所需的時間，PAT常被用作近似值，用心電圖（ECG）的r波（指示心室去極化）與周圍PPG波形的特征點（例如，腳或峰）之間的時間延遲來測量。人們普遍認為PTT與血壓呈負相關：當BP升高時，動脈硬度增加，導致PTT縮短，反之亦然。對于耳后測量，研究人員已經探索了多模態傳感，將PPG與入耳式麥克風相結合，檢測第一心音（S1），并計算從S1聲音到PPG上strokebbb14的血管傳遞時間（VTT）。

脈搏波分析（PWA）： PWA包括從PPG波形中提取各種形態特征來估計血壓PPG波形的形狀受動脈硬度、外周部位反射和其他心血管參數的影響采用先進的信號處理技術和機器學習算法來分析這些特征并將它們與血壓值相關聯。特別是深度學習方法，在自動提取相關特征和從大型PPG數據集中建立準確的預測模型方面顯示出了希望。

圖1 研究概覽

耳后放置優勢

耳后區域為基于PPG的血壓測量提供了幾個明顯的優勢：

靠近大動脈：耳后動脈是頸外動脈的一個分支，在耳道下方運行，為穩健的PPG信號采集提供了豐富的微血管床。耳道靠近頸動脈也可以增強脈沖幅度變化的功率。

減少運動偽影：與手腕或手指等部位相比，耳朵相對穩定，在日常活動中不易受到運動偽影的影響，這對于獲得高質量、連續的PPG信號至關重要。

方便和謹慎：耳戴式設備（earables）正變得越來越普遍，可以設計成不顯眼和舒適的連續佩戴器，類似于助聽器或耳塞。耳道的黑暗環境也最大限度地減少了外界光線的干擾，進一步提高了信號質量。

可達性：耳朵便于放置傳感器，不需要用戶脫衣服或暴露身體其他部位，方便在各種環境下使用。

02 數據準確性優勢

耳后位置的固有特性，結合先進的信號處理和機器學習，有助于提高PPG血壓測量的數據準確性：

高信號質量：耳內致密的血管結構和良好的血液灌注，以及減少的運動偽影和外部光線影響，導致更高質量的PPG信號。高質量的原始數據是準確提取特征和后續BP估計的基礎。

運動穩健性：如前所述，耳朵相對穩定的位置最大限度地減少了運動引起的信號失真，這是手腕或手指上可穿戴PPG設備的常見挑戰。這種穩健性可以在日常活動中實現更可靠的連續監測。

生理相關性：與其他外周部位相比，靠近中心動脈提供的PPG信號可能更直接地反映中心血流動力學變化。一些研究表明，耳朵的血管反應可能較少受到像低溫這樣的外周灌注問題的影響。

先進的算法：復雜的機器學習和深度學習算法的發展顯著增強了從PPG波形中提取有意義特征并將其與BP相關聯的能力。這些算法可以學習PPG信號中指示血壓變化的復雜關系，超越了更簡單的基于PTT的方法。

多模態傳感潛力：將PPG與其他傳感器（如用于S1聲音檢測的入耳式麥克風）集成在一起，可以實現多模態方法，可以提供更穩健和準確的BP估計，特別是通過計算血管傳遞時間（VTT）。

圖2 數據傳輸流程

03市場分析

由于高血壓患病率的增加、老年人口的增加以及對遠數據傳輸流程患者監測和個人健康管理解決方案的需求不斷增加，全球非侵入性和連續血壓監測設備市場正在經歷顯著增長。

對可穿戴設備的需求不斷增長：智能手表和健身追蹤器等可穿戴設備的普及，激發了人們對整合健康監測功能的興趣。PPG生物傳感器是這些設備的基石，2022年全球PPG生物傳感器市場價值為4.168億美元，預計從2023年到2030年將以11.6%的復合年增長率增長。雖然心率監測目前占據最大份額，但血壓監測領域預計將出現相當大的增長。

正在轉變的醫療保健模式：預防性醫療保健、遠程醫療和遠程患者監控是一個強大的趨勢。持續的BP監測，特別是對高血壓患者或高危人群，可以更早地發現問題，更好地堅持治療，改善健康結果。耳后式PPG等無袖套連續解決方案非常適合這種模式轉變。

競爭格局：市場上既有成熟的醫療設備公司，也有創新的初創公司，都在開發非侵入性BP監測解決方案。像cossinuss°這樣的公司正在積極開發利用神經網絡計算血壓的入耳式PPG解決方案，學術機構也積極參與其中，研究團隊正在開發和完善耳后設備。

監管障礙：為了廣泛的臨床應用，耳后PPG血壓裝置需要經過嚴格的測試并獲得監管部門的批準（例如，美國的FDA，歐洲的CE標志）。

未來展望：耳后PPG血壓測量的市場潛力巨大。其謹慎、舒適和連續、準確監測的潛力使其成為一般健康和臨床應用的有吸引力的解決方案。傳感器技術、算法開發（特別是人工智能和機器學習）和小型化的進一步進步將繼續推動市場擴張，與現有智能生態系統（智能手機、健康平臺）的整合也將對市場滲透至關重要。

04局限與挑戰

盡管有很好的優勢，但耳后PPG血壓測量的廣泛采用需要解決一些限制和挑戰：

個體可變性和校準：由于動脈硬度、皮膚特性和生理反應的差異，PPG波形特征與血壓之間的關系在個體之間可能存在顯著差異。這就需要個性化校準，通常需要初始的基于袖帶的測量來為個體建立基線，并可能隨著時間的推移重新校準。

運動偽影（殘余）：雖然不像其他部位那么容易受到影響，但顯著的頭部或身體運動仍然會給PPG信號引入偽影，從而影響準確性，需要穩健的信號處理技術來減輕這些影響。

接觸壓力敏感性：PPG傳感器與皮膚之間的接觸壓力會影響信號質量和形態，可能導致BP估計誤差保持一致的接觸是至關重要的，設備設計必須考慮到這個。

解剖和生理差異：皮膚色素沉著、毛發和耳周組織厚度變化等因素會影響光穿透和信號質量。

臨床驗證和標準化：需要在不同人群中進行更廣泛的臨床試驗，以根據既定標準（例如ISO 81060-2）驗證耳后PPG血壓裝置的準確性和可靠性。測量方案和算法開發的標準化對于設備間的廣泛采用和比較也至關重要。

電池壽命和處理能力：持續監測需要對可穿戴設備進行有效的電源管理，復雜算法的板載處理會消耗大量功率，因此需要優化硬件和軟件設計。

生理可解釋性：雖然深度學習模型可以達到很高的準確性，但理解其預測的生理基礎可能具有挑戰性。需要進一步的研究來增強這些模型的可解釋性。

05 結論

耳后PPG血壓測量代表了非侵入性和連續健康監測方面的重大進步。耳的解剖優勢，加上復雜的PPG技術和先進的算法，為高精度和用戶友好的血壓監測提供了潛力。雖然與個體差異、殘留運動偽影和嚴格的臨床驗證相關的挑戰仍然存在，但該領域正在進行的研究和開發正在迅速解決這些問題。隨著對方便和持續的健康洞察需求的增長，耳后PPG血壓測量將在預防保健和個性化醫療中發揮至關重要的作用。