从耳内测量生命体征和血压

持续监测生命体征已成为现代医疗保健的基石，能够及早发现临床恶化，指导治疗决策，并支持慢性病的长期管理。

传统的测量部位——如手指、手腕、手臂和胸部——已被证明是有效的，但对于长期、舒适或可移动监测而言，它们并不总是理想的选择。

近年来，耳朵已成为一个很有前景的解剖部位感知生理信号耳道和耳后区域提供了稳定、隐蔽的位置，不易产生运动伪影，更适合长时间佩戴设备。

本次探索回顾了基于耳朵的传感的生理原理、用于从耳朵内部测量生命体征（包括心率、呼吸频率、血氧饱和度和血压）的技术和信号处理方法、挑战和局限性、临床和消费者应用以及未来方向。

可以在 Lantape Biosensors 找到相关的商业案例和资源（https://lantapebiosensors.com这凸显了业界对基于耳朵的传感解决方案的持续兴趣。

为什么是耳朵？

解剖学和生理学方面的考虑

血管通路：耳部区域血液供应丰富，主要来自颈外动脉的分支（经由耳后动脉和颞浅动脉）以及颈内动脉的深部分支。耳周及耳内的血管网提供搏动性血流，可通过光学、声学或机械方法检测。
与中心循环的接近性：耳朵相对靠近中心动脉和大脑的血液供应，因此搏动信号可能比外周部位（如手指）更能代表中心血液动力学，因为外周部位更容易受到血管收缩和温度的影响。
稳定的环境：耳道免受环境噪音、温度变化和诸多运动干扰的影响。插入耳内的设备比腕戴式传感器更稳定，从而提高了长期监测的信号质量。
可穿戴设备的易用性：现代入耳式设备采用符合人体工程学的设计，类似于耳机和助听器，可实现舒适、隐蔽的持续监测。

可从耳朵测量的生命体征

心率和心率变异性

光电容积脉搏波描记法（PPG）光电容积脉搏波描记法（PPG）广泛用于通过光学传感器检测血液容积变化来测量心率。耳内式PPG传感器使用发光二极管（LED）和光电探测器，放置在耳道内或耳甲上。聚丙烷波形包含有关脉搏时间和振幅的信息；因此，它可以提供心率和心跳间期，用于心率变异性 (HRV) 分析。
优势：与腕部或指部光电容积脉搏波描记法（PPG）相比，耳内式PPG通常能减少运动伪影，尤其是在行走活动中。其隐蔽式佩戴方式提高了接触稳定性并减少了漏光。
信号特征：与外周 PPG 相比，耳部 PPG 可能表现出较小的扩张引起的失真，并且可能具有更短的从心脏到测量部位的脉搏传输时间。

呼吸频率和呼吸模式

呼吸对光电容积脉搏波描记法 (PPG) 的影响：呼吸会微妙地调节 PPG 信号的振幅、基线和频率成分。算法可以通过追踪耳部 PPG 中的这些调节来提取呼吸频率 (RR)。
声学传感：耳内设备中嵌入的麦克风或加速度计可以检测通过骨骼或组织传递的呼吸声或胸部/气道相关振动，从而提供呼吸频率和模式信息。
运动和姿势检测：内置惯性测量单元 (IMU) 可以帮助区分呼吸相关信号和运动伪影，并能检测影响呼吸的姿势变化。

氧饱和度（SpO2）

反射式脉搏血氧饱和度测量：标准指式脉搏血氧仪采用透射式光学测量（光线穿过组织）。而耳内测量则采用反射式血氧饱和度测量，即利用组织同一侧进行光发射和检测。通常使用双波长LED（通常为红色和红外光）来估算动脉血氧饱和度。
优点和局限性：耳部血氧饱和度（SpO2）即使在周围血管收缩导致手指灌注减少的情况下（例如在寒冷环境中）也能保持稳定。然而，由于光与组织耦合的可变性，反射式血氧饱和度测量更具挑战性，需要精心设计和信号处理。

血压估算

无袖带血压测量的挑战：无需充气袖带即可无创测量血压是目前的研究热点。无袖带方法旨在利用脉搏波传导时间 (PTT)、脉搏波到达时间 (PAT)、脉搏波分析 (PWA) 等替代信号以及基于相关信号训练的机器学习模型来估算收缩压和舒张压。
脉搏传导时间与耳部：脉搏传导时间 (PTT) 通常由心脏电活动事件（例如心电图 R 波）与光电容积脉搏波描记法 (PPG) 检测到的外周脉搏之间的时间延迟计算得出。当检测部位为耳部时，PTT 可能比基于手指的 PTT 更短，且受外周血管收缩的影响更小。通过将耳部 PPG 与心电图导联（例如胸贴或单导联可穿戴设备）或近端时间参考相结合，算法可以估算血压变化。
脉搏波分析：耳部光电容积脉搏波描记图（PPG）波形的形态特征（例如，上升时间、重搏切迹突出程度、斜率指数）与动脉硬度和血压相关。基于同步PPG和袖带血压测量的大型数据集训练的机器学习模型可以将耳部PPG特征映射到血压估计值。
校准和准确性：许多无袖带血压测量方法需要根据有袖带血压计的参考值进行个性化校准，并且会随时间推移出现漂移，因此需要定期重新校准。监管标准（例如 AAMI、ISO）为血压测量设备设定了性能阈值——无袖带耳压式血压测量方法达到这些阈值仍然是一个亟待解决的技术难题。
新兴研究：研究表明，在特定条件下（例如静息、稳定姿势），耳部脉搏波传导时间/脉搏波振幅特征与血压之间存在良好的相关性，但在剧烈运动或血流动力学突变时，相关性会下降。目前的研究重点在于改进信号处理和多传感器融合技术，以提高可靠性。

传感方式和传感器设计

光学传感器（光电容积脉搏波描记法和血氧饱和度测量法）

反射式与透射式：耳部传感器通常采用反射式光电容积脉搏波描记法（PPG），因为耳道和耳甲阻碍了光线的轻易透射。反射式结构需要精确控制LED功率、波长选择、探测器灵敏度和机械耦合，以最大程度地减少环境光干扰。
多波长设计：两个或多个波长支持氧饱和度估计，并通过将搏动性动脉信号与组织/静脉信号分离来提高运动鲁棒性。

电传感器（心电图和生物阻抗）

耳内设备的电极触点可以采集类似心电图的信号或与呼吸和血容量相关的生物阻抗变化。虽然单独采集的耳内心电信号较弱，但将单导联心电图与耳内光电容积脉搏波描记法（PPG）相结合，可以计算脉搏波振幅（PAT）以估算血压。

机械/声学传感器

耳塞内的麦克风和加速度计可以检测血管声音（微音器效应）、骨传导心音和身体运动。这些传感器可以与光学信号配合使用，提高伪影抑制效果，并提供额外的生理信息。

惯性传感器

IMU（加速度计、陀螺仪）检测运动和方向，从而实现自适应滤波和伪影去除，并支持活动分类，这对于解释受运动影响的生理信号是必要的。

信号处理与算法

预处理和伪影减少

即使对于基于耳朵的传感器而言，运动伪影也是一个主要挑战。预处理技术包括以加速度计信号为参考的自适应滤波、经验模态分解、小波去噪和独立成分分析。
通过去趋势和高通滤波来校正基线漂移和低频噪声，而带通滤波器则隔离心率。

特征提取

时域特征：峰峰值间隔、脉冲幅度、上升时间、曲线下面积。
频域特征：心率和呼吸频段的频谱功率。
形态特征：反射指数、增强指数、重搏切迹时间。

建模与机器学习

线性回归、支持向量机、随机森林和深度神经网络用于将特征映射到生理量（例如，血压）。
个性化：通过针对特定对象的校准，模型性能通常会得到改善，校准可以将全局模型调整为个人的血管特征。

验证和临床性能

实验室和临床验证研究

验证方法通常将基于耳朵的测量结果与黄金标准参考值进行比较：心电图用于计时，临床脉搏血氧仪用于 SpO2，血压计（示波法或听诊法）袖带用于血压。
研究表明，在受控条件下，耳部光电容积脉搏波描记法（PPG）能够可靠地追踪心率并检测心律失常。耳部血氧饱和度（SpO2）测量值与指部血氧仪测量值具有良好的相关性，尤其是在外周血管收缩的情况下。
血压估算仍然是最具挑战性的。虽然通常可以从耳部信号中检测到血压的变化趋势和相对变化，但要达到符合监管标准的绝对准确度却不太稳定。许多研究报告称，在静息状态下，血压估算结果具有良好的相关性，但在运动或血管张力发生变化时，准确度会降低。

临床和消费者应用

医院和门诊监测

耳内传感器可用于医院病房的连续监测，在需要进行非侵入性、长期观察的情况下，可以释放护理资源并及早发现病情恶化。
睡眠监测：耳部设备可以不引人注意地测量睡眠期间的心率、呼吸和氧合情况，支持睡眠呼吸暂停筛查和夜间低氧血症检测。
家庭监测和远程医疗：患有心血管或呼吸系统疾病的患者可以使用佩戴在耳朵上的设备进行远程监测。将数据传输给临床医生或云平台。

体育与表演

运动员和健身爱好者可能更喜欢入耳式监测，因为它在跑步或骑行时佩戴舒适稳定，尤其适用于监测心率和呼吸指标。运动过程中准确监测血压仍然是一个研究目标。

助听器和多功能耳机

将健康传感器集成到助听器或消费级耳塞中，为提供听力辅助和持续生理监测的双重用途设备创造了机会，从而提高了普及率和依从性。

耳部监测的益处和优势

由于安装位置隐蔽且安装牢固，信号稳定性得到提高。
与手指等外周部位相比，在寒冷或低灌注状态下表现更佳。
利用熟悉的外形设计（耳塞、助听器），可能提高用户长时间佩戴的舒适度。
与胸章或腕带相比，可降低可见度和耻辱感。

挑战与局限性

传感器耦合和个体解剖结构

耳道几何形状、耳垢（耵聍）堆积以及皮肤特性的差异会影响光学耦合和信号质量。可定制的耳塞套和自适应算法有助于缓解这些问题。

运动伪影和外部噪声

虽然耳朵的位置可以减少一些运动的影响，但头部大幅度运动、咀嚼、说话和剧烈运动仍然会引入伪影，使信号解释变得复杂。

校准和漂移

无袖带血压测量通常需要定期使用袖带参考值进行校准。生理变化、传感器位置偏移和长期漂移都需要重新校准。

监管和临床认可

医疗审批需要经过严格的验证，以达到准确性和可靠性的标准；将研究原型转化为认证的医疗器械并非易事。

隐私、安全和数据管理

持续的生理监测会产生敏感的健康数据，必须对其进行安全管理，并遵守数据保护法规。

工业和商业开发

多家公司和研究团队正积极研发基于耳部的传感技术，提供将监测功能集成到耳塞和助听器中的原型产品和早期产品。这些设备通常侧重于监测心率、血氧饱和度和活动情况，以提升消费者的健康水平。更先进的临床级解决方案则致力于在医疗环境中提供持续的患者监测。

Lantape 生物传感器（https://lantape.comLantape 是一家致力于先进外周监测技术的公司。尽管 Lantape 提供的具体产品和服务会随时间而变化，但专注于可穿戴和外周传感技术的专业公司的存在，凸显了耳部生物传感技术的商业化发展势头。潜在客户和合作伙伴应访问该公司网站，了解其当前功能、临床应用和产品详情。

未来方向

多模态感知与传感器融合

在耳内设备中融合光学、电学、声学和惯性传感器等多种技术，有望提高设备的鲁棒性并扩展可测量参数。传感器融合算法可以利用互补信息来改进血压估计并减少误报。

个性化和自适应算法

设备端机器学习能够适应个人的生理机能和使用习惯，从而减少频繁重新校准的需要，并提高长期准确性。

与远程医疗和人工智能驱动的分析相结合

云连接、安全的数据管道和自动化分析可以实现预测性监控、风险分层和远程干预工作流程。

小型化和能效

低功耗电子技术、能量收集技术和电池技术的进步将使设备能够更长时间佩戴并持续运行，而无需频繁充电。

监管验证和临床试验

需要进行大规模、多样化的临床研究，以验证基于耳朵的血压估计方法，并确保其在各个年龄段、肤色、合并症和活动水平下的性能。

结论

从耳内测量生命体征是可穿戴健康技术领域一个引人注目的前沿方向。耳朵丰富的血管分布、靠近中心循环系统以及相对隐蔽的解剖结构，使其成为监测心率、呼吸、血氧饱和度以及潜在的无袖带血压的理想部位。

光学光电容积脉搏波描记法（PPG）、反射式脉搏血氧饱和度测量法、脉搏计时法和多模态传感器融合是实现这些测量的核心技术。虽然在许多情况下，耳部心率和血氧饱和度（SpO2）测量已达到可应用的成熟水平，但精确的无袖带血压估算仍然是一个亟待解决的难题，需要更精密的硬件、更强大的信号处理能力和更广泛的临床验证。

耳朵传感技术的商业和研究兴趣，包括 Lantape 等公司的工作（https://lantape.com这表明，一个不断发展的生态系统可能会在未来几年内提供临床实用、舒适且隐蔽的健康监测设备。

随着算法和传感器设计的改进，基于耳朵的设备有可能将连续监测扩展到医疗、运动和消费应用领域，从而在保持用户舒适度和接受度的同时，提高生理变化的早期检测和管理。