Ballistokardiographie und Biomonitoring-Lösungen mit flexiblen Foliensensoren

Herzkrankheiten gehören zu den häufigsten und lebensbedrohlichsten Erkrankungen, die die moderne Gesellschaft betreffen. Eine effektive Überwachung der Herzfunktion ist entscheidend für die frühzeitige Erkennung von Anomalien, was eine rechtzeitige Diagnose und Behandlung ermöglicht, die letztendlich Leben retten kann. Neben der traditionellen Elektrokardiografie (EKG) bietet die Ballistokardiografie (BKG) wertvolle Einblicke, indem sie Kraftveränderungen misst, die durch Herzschläge erzeugt werden, und stellt somit ein wesentliches Werkzeug zur Beurteilung der Herzaktivität dar.   Darüber hinaus verbessert die Integration von flexiblen Filmsensoren, bekannt als Picoleaf, zur Erkennung biologischer Signale wie Puls und Atmung die Genauigkeit der physiologischen Überwachung erheblich. Dieser Artikel wird die Grundlagen der BKG und Picoleaf untersuchen, wobei die innovativen Lösungen hervorgehoben werden, die Murata in diesem wichtigen Bereich der Gesundheitstechnologie bietet.

Nicht-invasive und wartungsfreie Ballistokardiografie-Sensoren

Die Funktion des Herzens ist eine der entscheidenden Bedingungen für das Überleben des Menschen, wodurch die Überwachung der Herzaktivität die beste Methode zur Früherkennung von herzbezogenen Erkrankungen darstellt. Derzeit gibt es mehrere Möglichkeiten, die Herzfunktion zu überwachen. Ein EKG zeigt die elektrische Aktivität, Kardiologen können mit Ultraschall die Ventilfunktion und den Blutfluss überwachen, Blutdruckmessungen erfassen die resultierenden Druckwellen, und die Ballistokardiografie (BCG) misst den Pumpmechanismus des Herzens und liefert Informationen über das Timing jedes Herzschlags sowie das relative Schlagvolumen.   Der Vorteil des EKGs liegt in seiner Fähigkeit, Störungen in der elektrischen Aktivität des Herzens zu erkennen, wie z.B. Arrhythmien, Signalverzögerungen, Blockaden oder abnormale Polarisation oder Depolarisation. Zu den Einschränkungen zählen die Notwendigkeit der Befestigung von Elektroden und das Fehlen von Informationen über die tatsächliche Pumpfunktion des Herzens.   BCG-Sensoren hingegen werden im Bett platziert, was sie nicht-invasiv und wartungsfrei macht, ideal für langfristige nächtliche Messungen. Sie sind daher hervorragende Instrumente zur Messung von Erholung und Schlafqualität und können Zustände wie potenzielle Schlafapnoe oder nächtliche Arrhythmien aufdecken. Zusätzlich ermöglicht die Kombination von BCG-Messungen im Bett mit Tagesmessungen der Blutdruckwelle (BPW) (z.B. mittels eines Armbands) eine 24/7-Überwachung des Zustands des Herzens und des autonomen Nervensystems. Nicht-invasive BPW-Messungen sind ein hervorragendes Werkzeug zur Überwachung der Funktion von Herz und Blutgefäßen.

Messung der Schlafqualität mit Ballistokardiografie

Guter Schlaf ist für alle entscheidend, da er dazu beiträgt, verschiedene Krankheiten zu verhindern und die Lebensdauer zu verlängern. Die positiven Auswirkungen gehen über Bedingungen im Zusammenhang mit Herz oder Blutgefäßen hinaus; qualitativ hochwertiger Schlaf ist auch entscheidend für die mentale Gesundheit und sogar die Krebsprävention. Für ältere Menschen, ob zu Hause oder in Pflegeeinrichtungen, ist die kontinuierliche Überwachung der Vitalzeichen notwendig, um das Wohlbefinden zu verbessern, unabhängiges Leben zu ermöglichen, die Patientensicherheit zu erhöhen, Arbeitsaufwand und Kosten zu senken und frühzeitige Entlassungen aus Krankenhäusern mit sicherer Fernbetreuung zu ermöglichen. Für Sportler sind Erholung und qualitativ hochwertiger Schlaf entscheidend für optimales Training und Wettbewerbsleistung, da die beste Trainingserholung Spitzensportler hervorbringt.   Darüber hinaus sind Herzfrequenz- und Atmungsparameter ausgezeichnete Indikatoren für den allgemeinen Zustand einer Person und ihre Lebenserwartung. Sie messen nicht nur den Herzstatus, sondern spiegeln auch den allgemeinen Körperzustand durch das autonome Nervensystem wider und signalisieren verschiedene pathologische Zustände. Zum Beispiel kann die Schlagvolumenvariation (SVV) als Maß für die Flüssigkeitsbedingungen dienen.   In der Altenpflege und bei unabhängigem Leben ist nächtliche Erholung entscheidend, sodass eine bettbasiertes Monitoring ebenfalls wertvoll ist. Mit BCG können aus den Messungen gewonnene Daten mit anderen Informationen kombiniert werden, wie z. B. der Erkennung von Verhaltensänderungen, um zugrunde liegende Probleme zu identifizieren. Qualitativ hochwertiger Schlaf ist wichtig, um viele Krankheiten zu verhindern und die Lebensdauer zu verlängern, und BCG bietet eine nicht-invasive Methode für die langfristige Überwachung der Schlafqualität. Außerdem kann BCG Sportlern und aktiven Trainierenden helfen, ihren Erholungsstatus zu überwachen, um akutes und chronisches Übertraining zu vermeiden.

Kontaktlose Biomonitoring-Lösungen für Krankenhäuser und Zuhause

Für BCG-Anwendungen bietet Murata eine kontaktlose Biomonitoring-Lösung an, die für den Einsatz in Krankenhäusern und Haushalten entwickelt wurde, um den Status von Personen zu überwachen, die auf einem Bett schlafen. Sie erfasst biologische Signale wie Puls, Atemfrequenz und Atemzeit und kann erkennen, wenn eine Person das Bett verlässt, oder Schlafzustände analysieren. Diese BCG-Lösung besteht aus einem vorprogrammierten Mikrocontroller (BCGMCU-D01) und dem SCL3300-D01 Neigungssensor und bildet so eine Komponentenlösung.   Dieser innovative, bettgestützte Sensor nutzt das Prinzip der BCG. Wenn das Herz schlägt, erzeugt die Blutströmungskraft von der Aorta zu den Arterien eine Reaktionskraft im Körper. Während eine Person im Bett schläft, vibriert der Bettrahmen aufgrund dieser Körperbewegungen subtil. Ein ultrasensitiver Beschleunigungssensor erfasst diese schwachen Signale, und Algorithmen, die im Mikrocontroller eingebettet sind, extrahieren biologische Signale wie den Puls. Das BCG-Produkt ermöglicht Sensorknoten, verschiedene biologische Signale zu überwachen, darunter Puls, Atemfrequenz, Herzfrequenzvariabilität (stressbezogen), Schlagvolumen und Bettauslastungserkennung.   Der in dieser Lösung verwendete BCGMCU ist das zweite Produkt der BCG-Generation mit verbesserter Leistung, das neue Möglichkeiten für die Überwachung von Schlafenden in Krankenhäusern und Haushalten eröffnet. Dieses Produkt umfasst einen Mikrocontroller, der mit Muratas BCG-Algorithmus vorprogrammiert ist, kombiniert mit einem rauscharmer SCL3300-Neigungssensor auf dem PCB-Design des Kunden. Das Design mit geringer Integration ermöglicht es, BCG-Messungen in verschiedene Gesundheitsprodukte zu integrieren.   Die Hauptmerkmale dieser BCG-Lösung umfassen kontaktlose Messungen für kontinuierliche, störungsfreie Überwachung, eine Referenzdesign-Methode, die breite Integrationsmöglichkeiten bietet, niedrigen Stromverbrauch und einen MEMS-Beschleunigungssensor mit praktisch unbegrenzter Lebensdauer. Sie ist kompatibel mit gängigen Fertigungsmethoden, verfügt über eine benutzerfreundliche serielle UART-Schnittstelle und gibt Schlag-zu-Schlag-Intervalle für die Berechnung verschiedener Herzfrequenz- (HR) und Herzfrequenzvariabilitäts- (HRV) Metriken aus. Zielanwendungen umfassen Krankenhäuser, Altenpflege, betreutes Wohnen, Schlag-zu-Schlag-Intervallerkennung, Atemfrequenzerkennung, Bettauslastungsüberwachung, Schlafqualitätsmessung und Stress-/Entspannungsanalyse.   Der BCGMCU ist so konzipiert, dass er zusammen mit dem SCL3300-D01-Inklinometer als Teil des BCG-Referenzdesigns arbeitet. Der BCGMCU ist ein vorprogrammierter Silicon Labs EFM32PG1B100F256GM32 Mikrocontroller, der eine einfach zu verwendende serielle UART-Schnittstelle für Kundenanwendungen bereitstellt. Produktdesigns sollten den Spezifikationen der EFM32PG-Serie MCU entsprechen, während der SCL3300 über eine vorprogrammierte Anwendung konfiguriert und angesprochen wird.   Der SCL3300 ist ein leistungsstarker 3-Achsen-Inklinometer mit Winkel-Ausgang, der außergewöhnliche Leistungen in der Neigungsmessung bietet. Mit den Maßen 7,6 x 8,6 x 3,3 mm (B x L x H) ermöglicht er Benutzern, je nach Anwendungsanforderungen aus vier Messmodi zu wählen. Er verfügt über ultraniedriges Rauschen, hohe Auflösung (0,001°/√Hz), eine flexible SPI-Digitalschnittstelle sowie hervorragende mechanische Dämpfungseigenschaften. Der Sensor und ASIC sind in einem 12-poligen vorgeformten Kunststoffgehäuse untergebracht, das einen zuverlässigen Betrieb über die gesamte Lebensdauer hinweg gewährleistet.   Der SCL3300 arbeitet in einem Temperaturbereich von -40 bis 125 °C und verbraucht nur 1,2 mA Strom (bei einer Versorgungsspannung von 3,0–3,6 V). Er nutzt bewährte kapazitive 3D-MEMS-Technologie und ist so entwickelt, hergestellt und getestet, dass er hohe Stabilitäts-, Zuverlässigkeits- und Qualitätsstandards erfüllt. Die Komponente liefert extrem stabile Ausgaben in einem breiten Bereich von Temperaturen und Vibrationen und umfasst fortschrittliche Selbstdiagnosefunktionen. Sie ist geeignet für SMD-Montage und entspricht den RoHS- und ELV-Richtlinien.   Der SCL3300-Inklinometer zeichnet sich durch hohe Leistung und robustes Design aus, wodurch er sich ideal für Anwendungen eignet, die Stabilität in rauen Umgebungen erfordern. Die primären Einsatzbereiche umfassen Nivellierung, Neigungsmessung, Maschinensteuerung, Strukturelle Gesundheitsüberwachung, Inertialmesssysteme (IMUs), Robotik sowie Positionierungs- und Führungssysteme.   Murata bietet auch ein BCG-Referenzdesign an, um bei der Integration des SCL3300 und des BCGMCU in Endanwendungen zu unterstützen. Es dient als vollständig getestetes Debugging- und BCG-Leistungsvalidierungswerkzeug. Das BCG-Referenzdesign umfasst den SCL3300-Inklinometer und den vorprogrammierten BCGMCU, arbeitet mit einer Eingangsspannung von 5–9 V und verfügt über eine UART-Schnittstelle für Daten- und Firmware-Updates sowie einen 40 MHz Quarzoszillator.

Piezoelektrische Foliensensoren für Biomonitoring-Anwendungen

Fazit

Mit dem Fortschritt smarter Medizintechnologien durchläuft die Intensivstation (ICU) eine digitale und intelligente Transformation. Durch Technologien wie Künstliche Intelligenz, Big Data, das Internet der Dinge (IoT) und maschinelles Lernen können medizinische Teams den Zustand der Patienten präziser überwachen, die Diagnosegenauigkeit verbessern und Behandlungspläne optimieren. Darüber hinaus verbessern Fernüberwachung, smarte Entscheidungsunterstützung und automatisierte Geräte die medizinische Effizienz, reduzieren menschliche Fehler und steigern Behandlungsergebnisse sowie die Patientensicherheit. In Zukunft, mit der fortschreitenden Entwicklung der Technologie und der Erweiterung der Anwendungen, werden smarte Krankenhauslösungen weitere Fortschritte auf der Intensivstation vorantreiben und eine effizientere, präzisere und patientenzentrierte Intensivversorgung ermöglichen. Die in diesem Artikel vorgestellten ADI Smart Hospital Technology Solutions stellen einige der besten Möglichkeiten zur Entwicklung entsprechender Anwendungen dar.