Die Entwicklung und Lösungen von Biomonitoring-Technologien

Mit den rasanten Fortschritten in der künstlichen Intelligenz, dem IoT und Sensortechnologien entwickeln sich Bio-Monitoring-Lösungen von traditionellen kontaktbasierten und intermittierenden Messungen zu intelligenteren, kontinuierlichen und unauffälligen Gesundheitsüberwachungsmodellen. Vom Erfassen lebenswichtiger Zeichen in Krankenhäusern bis hin zu intelligenten Häusern, Telemedizin und Szenarien der öffentlichen Sicherheit spielt Bio-Monitoring nicht nur eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der medizinischen Effizienz und Genauigkeit, sondern zeigt auch einen immensen Wert in der präventiven Gesundheitsversorgung, dem Management chronischer Erkrankungen und Frühwarnsystemen für plötzliche gesundheitliche Ereignisse. Dieser Artikel stellt die Anwendungen und Entwicklungen der Ballistokardiographie (BCG) und piezoelektrischen Folien-Sensor-Bio-Monitoring-Lösungen vor sowie die zugehörigen Lösungen, die von Murata angeboten werden. 

BCG-Technologie ist eine kontaktlose physiologische Überwachungsmethode, die subtile mechanische Vibrationen erfasst, die durch Herzkontraktionen und Blutausstoß verursacht werden, um indirekt Informationen über die Herzaktivität zu erhalten. Sie erfordert keine Elektrodenpflaster oder tragbaren Geräte und ermöglicht die kontinuierliche Überwachung von Vitalzeichen in komfortablen Umgebungen. In den letzten Jahren wird sie zunehmend häufiger in der kontaktlosen Bio-Überwachung eingesetzt.

Muratas BCG (Ballistokardiogramm)-Sensor funktioniert, indem er die winzigen Vibrationen und Bewegungen erkennt, die durch den Herzschlag und den Blutfluss im menschlichen Körper erzeugt werden. Nachfolgend eine vereinfachte Erklärung des Arbeitsprinzips:

Zusammenfassend erfasst der BCG-Sensor von Murata herzbedingte Körpervibrationen mit empfindlichen MEMS-Komponenten und wandelt sie in elektrische Signale für Gesundheitsüberwachungszwecke um.

BCG kann auf Krankenhausstationen und Intensivstationen (ICUs), in smarten Häusern und zur Schlafüberwachung, für Sturz- und Gesundheitswarnungen bei älteren Menschen sowie im Fern- Gesundheitsmanagement angewendet werden. Zum Beispiel kann es auf Krankenhausstationen und Intensivstationen kontinuierlich die Herzfrequenz, die Herzschlagintervallvariabilität (HRV) und das Schlagvolumen überwachen, wodurch Hautreizungen und Infektionsrisiken, die mit Kontaktsensoren verbunden sind, reduziert werden. Bei der Anwendung in smarten Häusern und zur Schlafüberwachung kann es Herzfrequenz, Atmung, Körperbewegungen und Schlafstadien während des Schlafes analysieren. Es kann in Matratzen, Kissen oder Bettrahmen versteckt werden, um eine unauffällige Überwachung zu erreichen.

Zusätzlich kann BCG bei Sturz- und Gesundheitswarnungen für ältere Menschen langfristige Veränderungen der Herzfunktion überwachen, kombiniert mit der Erkennung abnormaler Muster, um kardiale Ereignisse zu verhindern, ohne dass eine Mitarbeit des Benutzers erforderlich ist, was es für die ältere Bevölkerung geeignet macht. BCG kann auch für das Fernmanagement von Gesundheit eingesetzt werden, indem es mit IoT-Plattformen verbunden wird, um BCG-Daten zur Analyse und medizinischen Bewertung in die Cloud hochzuladen, und unterstützt die gleichzeitige Überwachung und den Datenvergleich mehrerer Benutzer.

BCG ist völlig kontaktlos und in der Lage, durch Matratzen, Sitze oder sogar Böden zu überwachen, ohne die Aktivität oder den Schlaf des Benutzers zu beeinträchtigen. Es ermöglicht eine langfristige kontinuierliche Überwachung und ist damit geeignet für Hochrisikopatienten oder ältere Personen, die eine 24/7-Überwachung benötigen. Es kann mehrere Parameter erfassen, darunter Herzfrequenz, Atemfrequenz, HRV und hämodynamische Indikatoren. Es bietet hohen Komfort und Privatsphäre, da Benutzer keine Geräte tragen müssen und keine Datenschutzbedenken im Zusammenhang mit Kameras bestehen.

BCG-Technologie steht jedoch auch vor Herausforderungen wie Signalrauschstörungen. Faktoren wie Körperbewegungen, Unterschiede in der Elastizität der Matratze und äußere Vibrationen können die Datengenauigkeit beeinträchtigen. Algorithmengenauigkeit und Standardisierung erfordern ebenfalls Aufmerksamkeit, wodurch verbesserte KI- und Signalverarbeitungsmodelle notwendig werden, um die Stabilität bei verschiedenen Körpertypen und Haltungen zu verbessern. Zudem erfordert der Einstieg in das klinische Diagnostikfeld eine strenge Zertifizierung von Medizinprodukten und eine großflächige klinische Validierung. In Zukunft wird BCG mit Millimeterwellenradar, optischem PPG und anderen Technologien integriert, um die Erkennungsgenauigkeit und Umweltanpassungsfähigkeit zu verbessern.

Murata hat seine verbesserte 2. Generation der BCG-Lösung eingeführt, die neue Möglichkeiten zur Überwachung des Zustands von Personen bietet, die in Krankenhäusern und zu Hause schlafen. Sie kann biologische Signale wie Puls, Atemfrequenz und Atemdauer erfassen, um die Bettauslastung zu bestimmen und Schlafzustände zu analysieren.

Muratas Lösung umfasst einen vorprogrammierten Mikrocontroller (BCGMCU-D01) mit Algorithmus und integriertem niederrauschendem SCL3300-D01 Neigungssensor in den PCB-Designs der Kunden, wodurch eine Komponentenlösung entsteht, die auf Anbieter von Softwarelösungen, Dienstleister und OEM-Systemintegratoren abzielt, um die Integration von BCG-Messungen in verschiedene Gesundheitsprodukte zu ermöglichen.

Dieser neue sensor für das Bett verwendet BCG-Prinzipien. Wenn das Herz schlägt, erfährt das Bett aufgrund der Körperbewegungen subtile Vibrationen. Diese schwachen Signale werden von einem ultraempfindlichen Beschleunigungsmesser erfasst und von Algorithmen, die im Mikrocontroller eingebettet sind, verarbeitet, um biologische Signale wie den Puls zu extrahieren. Durch BCG-Produkte können Sensorknoten verschiedene biologische Signale erkennen, einschließlich Puls, Atemfrequenz, Herzfrequenzvariabilität (stressbedingt), Schlagvolumen und Bettbelegungsstatus.

Das BCGMCU verwendet kontaktlose Messung für kontinuierliche, störungsfreie Überwachung. Es bietet einen Referenzdesign-Ansatz mit breiten Integrationsoptionen, ausgestattet mit energiearmen MEMS-Beschleunigungsmessern mit nahezu unbegrenzter Lebensdauer. Es ist kompatibel mit den gängigen Herstellungsprozessen und umfasst eine einfach zu bedienende serielle UART-Schnittstelle. Es gibt die Timing zwischen den Herzschlägen aus, um verschiedene HR- und HRV-Metriken zu berechnen. Zielanwendungen umfassen Krankenhäuser, Pflegeeinrichtungen für Senioren und betreutes Wohnen, um Herzfrequenz-Detektion zwischen den Herzschlägen, Atemfrequenzüberwachung, Bettbelegungsüberwachung, Schlafqualitätsmessung und Stress- und Entspannungsanalyse zu ermöglichen. Muratas BCGMCU-D01 unterstützt eine Ausgangsspannung von 3,3 V DC, einen Ruhestrom von weniger als 6,7 mA, eine Ausgangsdatenrate (ODR) von 1 Hz und einen Pulsdetektionsbereich von 40-120 bpm.

Das SCL3300 von Murata ist ein Hochleistungs-3-Achsen-Neigungssensor, der außergewöhnliche Leistungen bei der Neigungsmessung bietet. Mit kompakten Abmessungen von 7,6 × 8,6 × 3,3 mm (B × L × H) unterstützt er vier vom Benutzer auswählbare Messmodi, die auf spezifische Anwendungen und Anforderungen zugeschnitten sind. Er zeichnet sich durch eine extrem niedrige Rauschdichte und hohe Auflösung (0,001°/√Hz), eine digitale SPI-Schnittstelle, überlegene mechanische Dämpfungseigenschaften, einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis 125°C und einen Stromverbrauch von 1,2 mA (bei einer Versorgungsspannung von 3,0–3,6V) aus. Er nutzt bewährte kapazitive 3D-MEMS-Technologie und bietet hohe Leistung sowie ein robustes Design für Anwendungen, die Stabilität in rauen Umgebungen erfordern, wie Nivellierung, Neigungsausgleich, Maschinensteuerung, Überwachung der strukturellen Gesundheit, inertiale Messeinheiten (IMUs), Robotik sowie Positionierungs- und Leitsysteme.

Murata bietet auch die SCL3300 SERIES PCB, eine digitale Sensorkarte für Beschleunigungsmesser/Neigungsmesser, an. Diese Chipträger-PCB ist mit dem digitalen MEMS-Neigungsmesser der SCL3300-Serie ausgestattet und ermöglicht eine einfache Produktauswertung und -gestaltung. Darüber hinaus stellt Murata die CA10H-SAL Sleep Analysis Library bereit, die sofortige und kumulative Anwendungsdaten über Nacht ausgibt. Sie nutzt erkannte hohe und niedrige Frequenzen der Herzfrequenzvariabilität, Atemtiefe und Atemvariabilität zur Analyse der nächtlichen Erholung. Sie bewertet automatisch Wachsamkeit, REM, leichte und tiefe Schlafphasen und unterstützt einen Schlafqualitätsindex basierend auf erkannter Erholung, REM-, leichtem und tiefem Schlaf sowie gesamten Schlafzeiten. Unterstützte Betriebssysteme sind derzeit Ubuntu 18.04 und neuer sowie CentOS 6.0 und 7.

Murata hat auch den piezoelektrischen Filmsensor (Picoleaf™) eingeführt, einen flexiblen und dünnen Sensor, der mit der proprietären piezoelektrischen Technologie von Murata entwickelt wurde. Er kann Biegung, Verdrehung, Presskraft und Vibration mit hoher Empfindlichkeit erfassen. Er spart Platz bei der Montage und verbessert die Dünne, Montageleistung und Haltbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren.

Darüber hinaus wird der in Picoleaf verwendete piezoelektrische Film aus Polymilchsäure hergestellt, die aus Stärke synthetisiert wird, die aus Pflanzen gewonnen und zu Milchsäure fermentiert wird. Pflanzen absorbieren Kohlendioxid aus der Atmosphäre, um Stärke zu produzieren, wodurch dieses Material kohlenstoffneutral ist und zur Reduzierung der globalen Erwärmung beiträgt.

Der Picoleaf-Erkennungsschaltkreis besteht aus einem I/V-Wandler und einer Verstärkerschaltung. Wenn der piezoelektrische Film verformt wird (durch Druckkraft oder Deformation), erzeugt er eine Polarisierung proportional zum Verformungsgrad. Die resultierende Ladung wird vom I/V-Wandler in Spannung umgewandelt und als analoges Signal ausgegeben. Das spannungsumgewandelte Signal wird verstärkt und bei Bedarf angepasst, um von universellen AD-Wandlern oder CPUs verarbeitet zu werden.

Die piezoelektrischen Eigenschaften von Picoleaf ermöglichen es, sowohl „Verschiebungsrichtung“ als auch „Verschiebungsgeschwindigkeit“ zu erkennen. Bei „Bergfalz“-Deformation wird die Verschiebungsrichtung auf die positive Seite der Referenzspannung von Picoleaf ausgegeben; bei „Tal-Falz“-Deformation auf die negative Seite. Zusätzlich zur Verschiebungsrichtung kann die Verschiebungsgeschwindigkeit aus der Spitzenspannung berechnet werden, die proportional zur Verschiebungsgeschwindigkeit zunimmt. Darüber hinaus können durch den Einsatz der Ausgangsinversionscharakteristik von Picoleaf-Sensoren Drücken-und-Loslassen-Aktionen als nahtlose Schalter in Benutzeroberflächen verwendet werden. Wenn Picoleaf an ein Objekt mit periodischen Vibrationen angebracht ist, kann es diese Vibrationen erfassen und als Zustandserkennungssensor dienen.

Picoleaf ist ultradünn (0,2 mm oder weniger) und kompakt (2 × 10 mm), spart Platz selbst bei Kombination mit Displays oder Touch-Panels. Es kann auch auf gekrümmten Oberflächen von komplex gestalteten Geräten, einschließlich zylindrischer Formen, montiert werden. Picoleaf kann Verschiebungen von nur 1 Mikrometer erkennen, und ein einzelner Sensor kann Druck über die gesamte Oberfläche eines großen Displays messen. Es kann unbewusste Muskelbewegungen wie Zittern, Greifen und Puls erkennen. Da es nicht pyroelektrisch ist, vermeidet es Drift, die durch Hitze verursacht wird (z. B. Körpertemperatur, Sonnenlicht oder Halbleiter), was zu weniger Geräuschen und einfacherem Algorithmusentwicklung führt. Darüber hinaus verbraucht der Sensor selbst keinen Strom, und die Verstärkerschaltung kann auf geringen Stromverbrauch (etwa 10 µA) ausgelegt werden.

Die Lichtdurchlässigkeit von Picoleaf übersteigt 90%, was eine Installation in Display-Bereich ermöglicht, die Transparenz erfordern. Die Kombination von Touchpanel-Benutzeroberflächenfunktionen mit Picoleafs Druckerkennungsfähigkeiten ermöglicht HMIs, die sich von herkömmlichen Touchpanels unterscheiden und sich näher an den Prinzipien des menschlichen Verhaltens orientieren. Das dünne, kurze und flexible Design von Picoleaf erlaubt neue Funktionen, während die Designintegrität gewahrt bleibt. Seine flexible Montagefähigkeit bewältigt problemlos Herausforderungen wie minimalen Platz und gekrümmte Oberflächen und macht es geeignet für Wearable-Geräte, die biologische Signale wie Puls und Atmung erkennen.

Bio-Monitoring-Lösungen entwickeln sich rasch hin zu höherer Präzision, Multi-Parameter-Analyse, Echtzeitbetrieb und Intelligenz und spielen eine zunehmend wichtige Rolle in der medizinischen Diagnostik, Gesundheitsmanagement, Sportüberwachung und öffentlichen Sicherheit. Muratas BCG-Lösungen und Picoleaf-Piezoelektrik-Folien-Sensoren ermöglichen eine unauffällige 24/7-Überwachung der Vitalzeichen und bieten Echtzeitwarnungen bei abnormalen Bedingungen, wodurch die Sicherheit und Effizienz des Gesundheitsmanagements insgesamt verbessert wird. Diese Innovationen erreichen eine Rund-um-die-Uhr-Überwachung und Gesundheitsbewertung der Vitalzeichen in allen Szenarien und liefern genauere, effizientere und nachhaltigere Gesundheitsmanagementlösungen für Einzelpersonen und die Gesellschaft, wodurch die Gesundheitsbranche in eine neue Ära der Intelligenz vorangetrieben wird.