L'évolution et les solutions des technologies de bio-surveillance

Avec les progrès rapides de l'intelligence artificielle, de l'IoT et des technologies de détection, les solutions de bio-surveillance passent des mesures traditionnelles par contact et intermittentes à des modèles de surveillance de la santé plus intelligents, continus et discrets. De la surveillance des signes vitaux dans les hôpitaux aux maisons intelligentes, à la télémédecine et aux scénarios de sécurité publique, la bio-surveillance joue non seulement un rôle essentiel dans l'amélioration de l'efficacité et de la précision médicales, mais elle démontre également une valeur immense dans les soins préventifs, la gestion des maladies chroniques et les systèmes d'alerte précoce pour les événements de santé soudains. Cet article présente les applications et le développement de la balistocardiographie (BCG) et des solutions de bio-surveillance par film piézoélectrique, ainsi que les solutions connexes offertes par Murata.

La technologie BCG est une méthode de surveillance physiologique sans contact qui détecte les subtiles vibrations mécaniques causées par les contractions cardiaques et l'éjection de sang pour obtenir indirectement des informations sur l'activité cardiaque. Elle ne nécessite pas de patchs électrodes ni d'appareils portables, permettant ainsi un suivi continu des signes vitaux dans des environnements confortables. Ces dernières années, elle a été de plus en plus largement appliquée dans la bio-surveillance sans contact.

Le capteur BCG (Ballistocardiogramme) de Murata fonctionne en détectant les petites vibrations et mouvements produits par les battements du cœur et la circulation sanguine dans le corps humain. Voici une explication simplifiée de son principe de fonctionnement :

En résumé, le capteur BCG de Murata capte les vibrations corporelles induites par le cœur à l'aide de composants MEMS sensibles et les convertit en signaux électriques pour des fins de surveillance de la santé.

BCG peut être appliqué dans les services hospitaliers et les unités de soins intensifs (USI), les maisons intelligentes et la surveillance du sommeil, les alertes de chute et de santé pour les personnes âgées, et la gestion de santé à distance. Par exemple, dans les services hospitaliers et les USI, il peut surveiller en continu la fréquence cardiaque, la variabilité de l'intervalle des battements cardiaques (HRV), et le volume d'éjection, réduisant ainsi les risques d'irritation cutanée et d'infection associés aux capteurs de contact. Lorsqu'il est appliqué dans les maisons intelligentes et la surveillance du sommeil, il peut analyser la fréquence cardiaque, la respiration, les mouvements corporels et les stades du sommeil pendant le sommeil. Il peut être caché dans les matelas, les oreillers ou les cadres de lit pour réaliser une surveillance discrète.

En outre, dans les alertes de chutes et de santé des personnes âgées, le BCG peut surveiller les changements à long terme de la fonction cardiaque, combinée à la détection de motifs anormaux pour prévenir les événements cardiaques, sans nécessiter la coopération de l'utilisateur, ce qui le rend adapté à la population âgée. Le BCG peut également être utilisé pour la gestion de la santé à distance, en se connectant à des plateformes IoT pour télécharger les données BCG dans le cloud pour analyse et évaluation médicale, soutenant la surveillance simultanée multi-utilisateurs et la comparaison de données.

BCG est entièrement sans contact, capable de surveiller à travers des matelas, des sièges, ou même des sols sans affecter l'activité ou le sommeil de l'utilisateur. Il permet une surveillance continue à long terme, ce qui le rend adapté aux patients à haut risque ou aux personnes âgées nécessitant une surveillance 24/7. Il peut acquérir plusieurs paramètres, y compris la fréquence cardiaque, le rythme respiratoire, la variabilité de la fréquence cardiaque (HRV), et les indicateurs hémodynamiques. Il offre un grand confort et une grande intimité, car les utilisateurs n'ont pas besoin de porter d'appareils, et il n'y a pas de préoccupations de confidentialité associées aux caméras.

Toutefois, la technologie BCG doit également faire face à des défis tels que l'interférence du bruit de signal. Des facteurs comme les mouvements corporels, les différences d'élasticité du matelas et les vibrations externes peuvent affecter la précision des données. La précision et la standardisation des algorithmes nécessitent également de l'attention, ce qui exige des modèles d'AI améliorés et de traitement de signal pour améliorer la stabilité pour différents types de corps et postures. De plus, entrer dans le domaine du diagnostic clinique nécessite une certification stricte des dispositifs médicaux et une validation clinique à grande échelle. À l'avenir, BCG s'intégrera avec le radar à ondes millimétriques, le PPG optique et d'autres technologies pour améliorer la précision de détection et l'adaptabilité environnementale.

Murata a introduit sa solution BCG de 2e génération améliorée, ouvrant de nouvelles possibilités pour surveiller l'état des individus dormant dans les hôpitaux et les maisons. Elle peut détecter des signaux biologiques tels que le pouls, le rythme respiratoire et la durée des respirations pour déterminer l'occupation du lit et analyser les états de sommeil.

La solution de Murata comprend un microcontrôleur préprogrammé (BCGMCU-D01) avec algorithme et intégré à l'inclinomètre à faible bruit SCL3300-D01 dans les conceptions PCB des clients, formant une solution au niveau des composants destinée aux fournisseurs de solutions logicielles, aux prestataires de services et aux intégrateurs de systèmes OEM, permettant l'intégration des mesures BCG dans divers produits de santé.

Ce nouveau capteur monté sur lit utilise les principes du BCG. Lorsque le cœur bat, le lit subit de subtiles vibrations dues aux mouvements du corps. Ces signaux faibles sont capturés par un accéléromètre ultra-sensible et traités par des algorithmes intégrés dans le microcontrôleur pour extraire des signaux biologiques tels que le pouls. Grâce aux produits BCG, les nœuds de capteur peuvent détecter divers signaux biologiques, y compris le pouls, le taux de respiration, la variabilité de la fréquence cardiaque (liée au stress), le volume d'éjection systolique, et le statut d'occupation du lit.

Le BCGMCU utilise une mesure sans contact pour une surveillance continue et sans interférence. Il offre une approche de conception de référence avec de larges options d'intégration, mettant en avant des accéléromètres MEMS à faible consommation d'énergie avec des durées de vie pratiquement illimitées. Il est compatible avec les processus de fabrication courants et comprend une interface UART série facile à utiliser. Il génère des temps battement à battement pour calculer divers métriques HR et HRV. Les applications cibles incluent les hôpitaux, les établissements de soins pour personnes âgées et les résidences services, permettant la détection du rythme cardiaque battement par battement, la surveillance du rythme respiratoire, le suivi de l'occupation des lits, la mesure de la qualité du sommeil et l'analyse du stress et de la relaxation. Le BCGMCU-D01 de Murata supporte une tension de sortie de 3,3V DC, un courant de repos inférieur à 6,7 mA, un taux de données de sortie (ODR) de 1 Hz, et une plage de détection de pouls de 40-120 bpm.

Le SCL3300 de Murata est un inclinomètre 3 axes haute performance offrant des performances exceptionnelles en matière de mesure d'inclinaison. Avec des dimensions compactes de 7.6 × 8.6 × 3.3 mm (L × l × H), il prend en charge quatre modes de mesure sélectionnables par l'utilisateur, adaptés à des applications et exigences spécifiques. Il se distingue par une densité de bruit ultra-faible et une haute résolution (0,001°/√Hz), une interface numérique SPI, des caractéristiques de d'amortissement mécanique supérieures, une plage de température de fonctionnement de -40 à 125°C et une consommation de courant de 1,2 mA (à une tension d'alimentation de 3,0–3,6V). Il utilise une technologie 3D-MEMS capacitive éprouvée, offrant des performances élevées et un design robuste pour des applications nécessitant une stabilité dans des environnements difficiles, telles que le nivellement, la compensation d'inclinaison, le contrôle des machines, la surveillance de la santé structurelle, les unités de mesure inertielle (IMUs), la robotique, et les systèmes de positionnement et de guidage.

Murata propose également le SCL3300 SERIES PCB, une carte capteur numérique accéléromètre/inclinomètre. Ce PCB porte-puce est équipé de l'inclinomètre numérique MEMS de la série SCL3300 pour une évaluation et une conception de produits faciles. De plus, Murata fournit la CA10H-SAL Sleep Analysis Library, qui génère des données d'application instantanées et cumulatives durant la nuit. Elle utilise la variabilité de la fréquence cardiaque à hautes et basses fréquences détectée, la profondeur de respiration et la variabilité de la respiration pour une analyse de récupération nocturne. Elle évalue automatiquement les stades de veille, de sommeil paradoxal (REM), de sommeil léger et profond, et prend en charge un indice de qualité de sommeil basé sur la récupération détectée, le scoring de sommeil paradoxal, léger et profond, ainsi que les temps de sommeil totaux. Les systèmes d'exploitation actuellement pris en charge incluent Ubuntu 18.04 et plus récent, ainsi que CentOS 6.0 et 7.

Murata a également introduit le capteur à film piézoélectrique (Picoleaf™), un capteur flexible et mince développé en utilisant la technologie piézoélectrique propriétaire de Murata. Il peut détecter la flexion, la torsion, la force de pression et la vibration avec une grande sensibilité. Il économise de l'espace de montage et améliore la finesse, la performance d'assemblage et la durabilité par rapport aux capteurs conventionnels.

De plus, le film piézoélectrique utilisé dans Picoleaf est fabriqué à partir d'acide polylactique, qui est synthétisé à partir d'amidon extrait de plantes et fermenté en acide lactique. Les plantes absorbent le dioxyde de carbone de l'atmosphère pour produire de l'amidon, rendant ce matériau neutre en carbone et contribuant à réduire le réchauffement climatique.

Le circuit de détection Picoleaf se compose d'un convertisseur I/V et d'un circuit amplificateur. Lorsque le film piézoélectrique est déformé (en raison d'une force de pression ou d'une déformation), il génère une polarisation proportionnelle au degré de déformation. La charge résultante est convertie en tension par le convertisseur I/V et sortie sous forme de signal analogique. Le signal converti en tension est amplifié et ajusté selon les besoins pour être traité par des convertisseurs AD généraux ou des CPU.

Les propriétés piézoélectriques de Picoleaf lui permettent de détecter à la fois la "direction du déplacement" et la "vélocité du déplacement". Pour une déformation en "plis montagnes", la direction du déplacement est sortie sur le côté positif de la tension de référence de Picoleaf ; pour une déformation en "plis vallées", elle est sortie sur le côté négatif. En plus de la direction du déplacement, la vélocité du déplacement peut être calculée à partir de la tension de crête, qui augmente proportionnellement avec la vélocité du déplacement. De plus, en exploitant la caractéristique d'inversion de sortie des capteurs Picoleaf, les actions de poussée et de relâchement peuvent être utilisées comme des interrupteurs intégrés dans les interfaces utilisateur. Si Picoleaf est attaché à un objet avec des vibrations périodiques, il peut détecter ces vibrations et servir de capteur de détection d'état.

Picoleaf est ultra-fin (0,2 mm ou moins) et compact (2 × 10 mm), économisant de l'espace même lorsqu'il est combiné avec des écrans ou des panneaux tactiles. Il peut également être monté sur des surfaces courbes d'appareils au design complexe, y compris des formes cylindriques. Picoleaf peut détecter des déplacements aussi petits qu'un micron, et un seul capteur peut mesurer la pression sur toute la surface d'un grand écran. Il peut détecter des mouvements musculaires inconscients tels que les tremblements, la préhension et le pouls. Étant donné qu'il n'est pas pyroélectrique, il évite la dérive causée par la chaleur (par exemple, la température corporelle, la lumière du soleil ou les semi-conducteurs), ce qui entraîne moins de bruit et un développement d'algorithmes plus facile. De plus, le capteur lui-même ne consomme aucune puissance, et le circuit amplificateur peut être conçu pour une faible consommation d'énergie (environ 10 µA).

La transmittance lumineuse de Picoleaf dépasse 90 %, permettant l'installation dans les zones de panneaux d'affichage nécessitant de la transparence. La combinaison des fonctions UI de panneau tactile avec les capacités de détection de pression de Picoleaf permet de créer des IHM qui diffèrent des panneaux tactiles conventionnels, s'alignant plus étroitement avec les principes du comportement humain. Le design mince, court et flexible de Picoleaf permet de nouvelles fonctionnalités tout en maintenant l'intégrité du design. Sa flexibilité de montage résout facilement des défis tels que l'espace minimal et les surfaces incurvées, le rendant ainsi adapté aux dispositifs portables pour détecter des signaux biologiques tels que le pouls et la respiration.

Les solutions de bio-surveillance progressent rapidement vers une plus grande précision, une analyse multi-paramètres, une opération en temps réel, et l'intelligence, jouant un rôle de plus en plus important dans le diagnostic médical, la gestion de la santé, la surveillance sportive, et la sécurité publique. Les solutions BCG de Murata et les capteurs à film piézoélectrique Picoleaf permettent une surveillance discrète des signes vitaux 24 heures sur 24, tout en fournissant des alertes en temps réel pour les conditions anormales, améliorant ainsi la sécurité globale et l'efficacité de la gestion de la santé. Ces innovations réalisent le suivi des signes vitaux et l'évaluation de la santé dans toutes les situations, 24 heures sur 24, offrant des solutions de gestion de la santé plus précises, efficaces, et durables pour les individus et la société, propulsant l'industrie de la santé vers une nouvelle ère d'intelligence.