Ballistocardiographie et solutions de biomonitoring avec capteurs à film flexible
Les maladies cardiaques comptent parmi les affections les plus courantes et mortelles pour les humains modernes. Par conséquent, un suivi efficace de la fonction cardiaque peut aider à détecter les anomalies tôt, permettant ainsi un diagnostic et un traitement opportuns pour sauver des vies. En plus de la surveillance traditionnelle par électrocardiogramme (ECG), la balistocardiographie (BCG) fournit des informations supplémentaires sur les changements de force causés par les battements cardiaques, ce qui la rend très précieuse pour le suivi de l'activité cardiaque. De plus, l'utilisation de capteurs de film flexible pour détecter des signaux biologiques tels que "pouls et respiration" peut améliorer la précision de la surveillance physiologique. Cet article présente les principes de la BCG et des capteurs à film mince flexible, ainsi que les solutions associées offertes par Murata.
Les maladies cardiaques figurent parmi les affections les plus répandues et les plus menaçantes pour la vie dans la société moderne. Une surveillance efficace de la fonction cardiaque est cruciale pour la détection précoce des anomalies, facilitant ainsi le diagnostic et le traitement en temps opportun, ce qui peut ultimement sauver des vies. En plus de la surveillance traditionnelle par électrocardiogramme (ECG), la balistocardiographie (BCG) offre des informations précieuses en mesurant les variations de force produites par les battements du cœur, faisant d'elle un outil essentiel pour évaluer l'activité cardiaque. De plus, l'incorporation de capteurs de film flexible, également appelés Picoleaf, pour détecter des signaux biologiques tels que le pouls et la respiration améliore considérablement la précision de la surveillance physiologique. Cet article explorera les principes derrière la BCG et le Picoleaf tout en mettant en avant les solutions innovantes fournies par Murata dans ce domaine vital de la technologie de la santé.
Capteurs de balistocardiographie non invasifs et sans maintenance
La fonction cardiaque est l'une des conditions les plus critiques pour la survie humaine, ce qui fait de la surveillance de l'activité cardiaque la meilleure méthode pour la détection précoce des maladies liées au cœur. Actuellement, il existe plusieurs façons de surveiller la fonction cardiaque. L'ECG affiche l'activité électrique, les cardiologues peuvent utiliser l'échographie pour surveiller le fonctionnement des valves et le flux sanguin, les mesures de pression artérielle suivent les ondes de pression résultantes, et la balistocardiographie (BCG) mesure le mécanisme de pompage du cœur, fournissant des informations sur le timing de chaque battement et le volume d'éjection relatif. L'avantage de l'ECG est sa capacité à détecter les défaillances de l'activité électrique du cœur, telles que les arythmies, les retards de signal, les blocages ou la polarisation ou dépolarisation anormales. Ses limites incluent la nécessité de fixer des électrodes et le manque d'informations sur la performance réelle de pompage du cœur. D'autre part, les capteurs BCG sont placés dans le lit, ce qui les rend non invasifs et sans entretien, idéals pour les mesures nocturnes à long terme. Ainsi, ils sont d'excellents outils pour mesurer la récupération et la qualité du sommeil, et peuvent révéler des conditions comme l'apnée du sommeil potentielle ou les arythmies nocturnes. De plus, en combinant les mesures BCG dans le lit avec les mesures de l'onde de pression artérielle (BPW) diurnes (par exemple, en utilisant un bracelet), on permet une surveillance 24/7 du statut cardiaque et du système nerveux autonome. La mesure non invasive de BPW est un excellent outil pour surveiller à la fois la fonction du cœur et des vaisseaux sanguins.
Mesurer la qualité du sommeil avec la balistocardiographie
Un bon sommeil est essentiel pour tout le monde, aidant à prévenir diverses maladies et à prolonger la vie. Ses effets positifs s'étendent au-delà des conditions liées au cœur ou aux vaisseaux sanguins ; un sommeil de qualité est également crucial pour le bien-être mental et même la prévention du cancer. Pour les personnes âgées, qu'elles soient à domicile ou dans des établissements de soins, une surveillance continue des signes vitaux est nécessaire pour améliorer le bien-être, permettre une vie autonome, améliorer la sécurité des patients, réduire le travail et les coûts, et permettre une sortie de l'hôpital plus précoce avec un soin à distance sécurisé. Pour les athlètes, la récupération et un sommeil de qualité sont essentiels pour un entraînement optimal et des performances en compétition, car le meilleur entraînement et la meilleure récupération produisent des athlètes de haut niveau. De plus, la fréquence cardiaque et les paramètres respiratoires sont d'excellents indicateurs de l'état général d'une personne et de son espérance de vie. Ils ne mesurent pas seulement l'état cardiaque, mais reflètent également l'état général du corps à travers le système nerveux autonome, signalant divers états pathologiques. Par exemple, la variation du volume d'éjection systolique (SVV) peut servir de mesure des conditions hydriques. Dans les soins aux personnes âgées et la vie autonome, la récupération nocturne est cruciale, rendant la surveillance basée sur le lit tout aussi précieuse. Avec la BCG, les données dérivées des mesures peuvent être combinées avec d'autres informations, telles que la détection des changements de comportement pour identifier les problèmes sous-jacents. Un sommeil de qualité est essentiel pour prévenir de nombreuses maladies et prolonger la durée de vie, et la BCG offre une méthode non invasive pour la surveillance à long terme de la qualité du sommeil. De plus, la BCG peut aider les athlètes et les sportifs à surveiller leur état de récupération, évitant le surentraînement aigu et chronique.
Solutions de biomonitoring sans contact pour hôpitaux et domiciles
Pour les applications BCG, Murata offre une solution biomonitoring sans contact conçue pour une utilisation dans les hôpitaux et à domicile afin de surveiller l'état des individus dormant sur un lit. Elle détecte des signaux biologiques tels que le pouls, le rythme respiratoire et le temps de respiration, et peut déterminer quand une personne quitte le lit ou analyser les états de sommeil. Cette solution BCG se compose d'un microcontrôleur préprogrammé (BCGMCU-D01) et d'un capteur d'inclinaison SCL3300-D01, formant une solution au niveau composant. Ce capteur innovant monté sur lit exploite le principe du BCG. Lorsque le cœur bat, la force du sang circulant de l'aorte vers les artères génère une contre-force dans le corps. Lorsqu'une personne dort sur le lit, le cadre du lit vibre subtilement à cause de ces mouvements corporels. Un accéléromètre ultra-sensible capture ces signaux faibles, et des algorithmes intégrés dans le microcontrôleur extraient des signaux biologiques tels que le pouls. Le produit BCG permet aux nœuds de capteurs de surveiller divers signaux biologiques, y compris le pouls, le rythme respiratoire, la variabilité de la fréquence cardiaque (liée au stress), le volume d'éjection, et la détection de l'occupation du lit. Le BCGMCU dans cette solution est la deuxième génération de produit BCG ayant des performances améliorées, ouvrant de nouvelles possibilités pour la surveillance des dormeurs dans les hôpitaux et à domicile. Ce produit se caractérise par un microcontrôleur préprogrammé avec l'algorithme BCG de Murata, associé à un capteur d'inclinaison SCL3300 à faible bruit sur le design de PCB du client. Le design à faible intégration permet d'incorporer les mesures BCG dans divers produits de santé. Les principales caractéristiques de cette solution BCG incluent la mesure sans contact pour une surveillance continue sans perturbation, une méthode de design de référence permettant de larges options d'intégration, une faible consommation d'énergie, et un accéléromètre MEMS avec une durée de vie pratiquement illimitée. Elle est compatible avec les méthodes de fabrication courantes, offre une interface UART série facile à utiliser, et produit des intervalles battement à battement pour calculer divers métriques de fréquence cardiaque (HR) et variabilité de la fréquence cardiaque (HRV). Les applications cibles incluent les hôpitaux, les soins aux personnes âgées, la vie assistée, la détection des intervalles battement à battement, la détection du rythme respiratoire, la surveillance de l'occupation du lit, la mesure de la qualité du sommeil, et l'analyse du stress/relaxation. Le BCGMCU est conçu pour fonctionner avec l'inclinomètre SCL3300-D01 dans le cadre du design de référence BCG. Le BCGMCU est un microcontrôleur Silicon Labs EFM32PG1B100F256GM32 préprogrammé, offrant une interface UART série simple à utiliser pour les applications clients. Les conceptions de produits doivent adhérer aux spécifications de la série EFM32PG d'MCU, tandis que le SCL3300 est configuré et interfacé via une application préprogrammée. Le SCL3300 est un inclinomètre haute performance à 3 axes avec sortie d'angle, offrant des performances exceptionnelles dans la mesure d'inclinaison. Mesurant 7.6 x 8.6 x 3.3mm (L x l x H), il permet aux utilisateurs de choisir parmi quatre modes de mesure basés sur les exigences de l'application. Il présente un bruit ultra-faible, une haute résolution (0.001°/√Hz), une interface numérique SPI flexible, et d'excellentes caractéristiques d'amortissement mécanique. Le capteur et l'ASIC sont emballés dans un boîtier en plastique prémoulé à 12 broches, garantissant un fonctionnement fiable tout au long de sa durée de vie. Le SCL3300 fonctionne à des températures allant de -40 à 125°C, ne consommant que 1.2mA de courant (à une tension d'alimentation de 3.0–3.6V). Il utilise une technologie MEMS capacitive 3D éprouvée et est conçu, fabriqué et testé pour répondre à des normes élevées de stabilité, de fiabilité et de qualité. Le composant fournit une sortie extrêmement stable sur une large gamme de températures et de vibrations et inclut des fonctions avancées d'auto-diagnostic. Il convient au montage SMD et est conforme aux directives RoHS et ELV. L'inclinomètre SCL3300 se distingue par sa haute performance et son design robuste, le rendant idéal pour les applications nécessitant une stabilité dans des environnements difficiles. Les utilisations principales incluent le nivellement, la détection d'inclinaison, le contrôle des machines, la surveillance de la santé structurelle, les unités de mesure inertielle (IMU), la robotique, ainsi que les systèmes de positionnement et de guidage. Murata propose également un design de référence BCG pour aider à intégrer le SCL3300 et le BCGMCU dans les applications finales. Il sert d'outil de débogage entièrement testé et de validation des performances BCG. Le design de référence BCG comprend l'inclinomètre SCL3300 et le BCGMCU préprogrammé, fonctionne avec une tension d'entrée de 5–9V, et dispose d'une interface UART pour les mises à jour de données et de firmware, ainsi qu'un oscillateur à cristal de 40 MHz.
Capteurs en film piézoélectrique pour applications de biomonitoring
Le "Picoleaf™" de Murata, activé par une technologie piézoélectrique propriétaire, est un capteur à film mince flexible capable de détecter avec une grande sensibilité les "pliures", "torsions", "forces de pression" et "vibrations". Il économise de l'espace de montage et améliore les capteurs conventionnels en termes de finesse, de performance d'assemblage et de durabilité. Au-delà de l'installation économisant l'espace, il offre des fonctionnalités telles que la création de boutons sans couture sur des boîtiers métalliques ou l'interaction avec les utilisateurs dans des zones sujettes à l'eau (par exemple, salles de bains, cuisines). Le capteur à film flexible Picoleaf™ a une épaisseur de ≤0,2mm, ce qui permet une intégration efficace en espace même avec des écrans ou des écrans tactiles. Ses dimensions compactes (2,5 x 7,0mm) le rendent ultra-petit. La structure flexible lui permet de s'adapter à des surfaces courbes, le rendant approprié pour des dispositifs à design élevé ou même des formes cylindriques. Le capteur Picoleaf™ est non-pyroélectrique, éliminant la dérive causée par la température corporelle, la lumière du soleil ou le chauffage des semi-conducteurs, minimisant ainsi les bruits thermiques. Il est également basse consommation, avec une consommation d'énergie nulle pour le capteur lui-même et un circuit d'amplificateur de commande conçu pour une faible consommation de courant (~10µA). Le capteur Picoleaf™ utilise un film piézoélectrique organique respectueux de l'environnement dérivé de l'acide polylactique (PLA), un matériau d'origine végétale. En tant que matériau neutre en carbone, il n'augmente pas le CO2 atmosphérique au cours de son cycle de vie — de la fabrication à l'élimination et à la décomposition — contribuant aux Objectifs de Développement Durable (ODD). Il est également sans plomb, conforme à la directive RoHS européenne. Associé à un circuit de détection, le capteur produit une sortie en fonction de la vitesse de déplacement du film piézoélectrique. Tirant parti de cette caractéristique de sortie, il peut servir de capteur pour la détection de pression, la détection de prise et les applications de biomonitoring. Pour la détection de la force de pression, il fonctionne comme un capteur UI. Lorsqu'il est monté sur un stylet, il peut détecter les états de prise en main. Le capteur Picoleaf™ offre une haute sensibilité, détectant de petits déplacements aussi faibles que 1µm. Un seul capteur peut détecter la pression de pression sur toute la surface d'affichage. Pour les applications de biomonitoring, sa haute sensibilité permet de détecter les tremblements musculaires involontaires, les prises et le pouls, ce qui le rend adapté pour surveiller "le pouls et la respiration" en tant que capteur de biosignal.
Conclusion
À mesure que les technologies médicales intelligentes progressent, l'Unité de Soins Intensifs (USI) subit une transformation numérique et intelligente. Grâce à des technologies telles que l'intelligence artificielle, le big data, l'Internet des Objets (IoT) et l'apprentissage automatique, les équipes médicales peuvent surveiller les conditions des patients avec plus de précision, améliorer la précision diagnostique et optimiser les plans de traitement. De plus, la surveillance à distance, le support décisionnel intelligent et les dispositifs automatisés améliorent l'efficacité médicale, réduisent les erreurs humaines et améliorent les résultats et la sécurité des patients. À l'avenir, à mesure que la technologie continue d'évoluer et que les applications s'étendent, les solutions hospitalières intelligentes stimuleront de nouveaux progrès dans l'USI, permettant des soins intensifs plus efficaces, précis et centrés sur le patient. Les solutions technologiques hospitalières intelligentes ADI présentées dans cet article représentent certains des meilleurs choix pour le développement d'applications connexes.
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