心冲击图与柔性薄型传感器生物监测解决方案

心脏病是影响现代社会最普遍、最危及生命的疾病之一。有效监测心脏功能对于早期发现异常至关重要，有助于及时诊断和治疗，最终可以挽救生命。除了传统的心电图监测外，心冲击图还可以通过测量心跳产生的力量变化，提供有价值的见解，使其成为评估心脏活动的重要工具

此外，采用柔性薄膜传感器（又称Picoleaf）来检测脉搏和呼吸等生物信号，显著提高了生理监测的准确性。本文将探讨BCG和Picoleaf背后的原理，同时将重点放在Murata在这一重要健康技术领域提供的创新解决方案。

非侵入式且免维护的心冲击图传感器 

心脏的运作对于人类来说是很重要的生存条件之一，因此检测心脏的运作状态，便是及早发现心脏相关疾病的理想方法。当前，存在多种监测心脏功能的方法。其中，心电图（ECG）可显示电功能，心脏病专家可以使用超声波监测瓣膜操作和流量，使用血压测量可监测由此产生的血压或压力波，使用心冲击图（BCG）则可测量心脏的泵血机制，BCG提供每次心跳的时间和相对每搏输出的血量。 

ECG的优点是它可以检测心脏电操作中的故障，例如心律失常、信号延迟或阻塞或异常极化或去极化。它的局限性则包括需要连接电极和缺乏有关心脏实际泵血的信息。 

另一方面，BCG的传感器则是位于床上，是非侵入式且免维护的，因此适合长期夜间测量。因此，它是测量恢复和睡眠质量的上佳工具，并可以显示例如潜在的睡眠呼吸暂停或夜间心律失常。此外，还可以将床上的BCG测量与白天的血压波（BPW）测量（例如使用手环）结合起来，便可以全天候监测心脏和自主神经系统的状态。非侵入性BPW测量是一种非常好的工具，既可以监测心脏功能，也可以监测血管功能。 

通过心冲击图测量睡眠质量 

良好的睡眠对每个人都很重要，可以预防多种疾病，延长寿命。其积极影响不仅限于与心脏或血管功能相关的疾病，良好的睡眠对心理健康甚至预防癌症等疾病也很重要。对于老年人来说，无论是在家庭还是在养老院，都需要持续监测生命体征，以增进健康、实现独立生活、提高患者安全性、节省人力和成本，还可以让患者更早出院，安全地待在医院外。对于运动员来说，恢复和良好的睡眠，对于取得良好的训练和比赛成绩至关重要，有效的训练和恢复造就了杰出的运动员。 

此外，心跳和呼吸参数是衡量一个人的一般状况和预期寿命的上佳指标，它们不仅可以测量心脏状况，还可以通过自主神经系统测量整个身体的状况，并指示许多病理状况，例如每搏输出量变异度（SVV）可以作为体液状况的衡量标准。 

在老年人护理和独立生活中，夜间睡眠的恢复很重要，因此卧床的状态同样是有价值的信息。通过心冲击图，您可以将从BCG得出的数据与其他信息相结合，例如检测行为变化，以检测出存在的潜藏问题。良好的睡眠对于预防许多疾病和延长寿命都很重要，BCG提供了对睡眠质量进行非侵入性长期监测的方法。此外，BCG可以帮助运动员和活跃的锻炼者控制他们的恢复状态，避免急性和慢性过度训练。 

可应用于医院与家庭的非接触式生物监测解决方案 

针对BCG应用，Murata推出了非接触式生物监测解决方案，该产品是可应用于医院、家庭中，用来监测床上正在睡觉的人的状态，其可以从正在睡觉的人的脉冲、呼吸频率、呼吸时间等生物信号，来检测人离开床、以及分析睡眠状态等。这款BCG解决方案是由事先编好程序的微控制器BCGMCU-D01和SCL3300-D01倾角传感器所构成的器件级解决方案。 

这个安装在床上的新型传感器利用了BCG的心脏跳动原理，当心脏跳动的时候，由于从主动脉流向动脉的血液，会使身体产生反作用力，人在床上睡觉的时候，床体会因为人身体的振动而产生微妙的振动，通过很高灵敏度的加速度传感器便能够捕捉到这样微弱的信号，再通过微型控制器中编入的算法来提取脉冲等生物信号。通过BCG产品，传感器节点可用来监测脉博、呼吸频率、心率变异度（应力水平相关）、泵血量等各种生物信号，以及检测人体离开床的状况。 

这款BCG解决方案中的BCGMCU是改进性能后的第2代BCG解决方案，为医院，家庭中睡觉的人的状态监测开辟了新的可能性。该产品是使用Murata BCG算法预编程的微控制器，与客户产品PCB设计中的低噪声SCL3300倾角传感器耦合在一起，低集成度设计允许将BCG测量集成到各种医疗保健产品中。 

这款BCG解决方案的特色在于采用非接触式测量，可实现连续、无干扰监测，参考设计方法允许大量的集成选项，且具有低功耗，其中的MEMS加速度计具有几乎无穷的使用寿命，可与常见制造方法兼容，具有易于使用的串行UART接口，可输出心跳间时间，允许计算各种心率（HR）和心率变异度（HRV）指标的目标应用，可应用于医院、老年护理、辅助生活，进行心跳间时间检测、呼吸频率检测、床位占用监测、睡眠质量测量、压力和放松分析。 

BCGMCU旨在与SCL3300-D01倾角传感器配合使用，作为BCG参考设计的一部分。BCGMCU是一款预编程的Silicon Labs EFM32PG1B100F256GM32微控制器，它提供了一个易于使用的串行UART接口，可用于客户应用，产品设计应按照EFM32PG系列MCU的规格进行，SCL3300则由预编程应用配置和接口。 

SCL3300是一款高性能3轴倾角传感器，具有角度输出，在倾斜测定方面具有很高性能，其尺寸为7.6 x 8.6 x 3.3mm（宽x长x高），可针对用途以及要求值，从4种模式中选择测定模式，具有低微噪声、0.001°/√Hz的高分辨率，以及具有灵活的SPI数字接口，拥有出众的机械阻尼特性，传感器器件和ASIC封装在12针预成型塑料外壳中，可确保产品在使用寿命内稳定运行。 

SCL3300可在-40 ~ 125℃的温度范围使用，仅需消耗1.2mA的电流（供给电源为3.0 ~ 3.6V时），采用了成熟的电容式3D-MEMS技术，SCL3300的设计、制造和测试符合高稳定性、可靠性和质量要求。该器件在宽广的温度和振动范围内具有非常稳定的输出，并具有多种超前的自诊断功能，适用于SMD安装，并符合RoHS和ELV指令。 

SCL3300倾角传感器拥有高性能、坚固耐用的设计，可针对在恶劣的环境中有较高稳定性需求的应用，主要的用途包括水平仪、倾斜补偿、机器控制、结构健康监测、惯性测量装置（IMU）、机器人、定位导航系统。 

Murata并推出了BCG参考设计，此参考设计的目的是帮助将SCL3300和BCGMCU集成到最终应用中，它是一个经过全面测试的调试器和BCG性能验证工具。BCG参考设计包含了SCL3300倾角传感器与预编程的BCGMCU，采用5 ~ 9V输入电压，具有用于数据和固件升级的UART接口，以及40 MHz晶振。 

可用于生物信号检测应用的压电薄膜传感器 

由Murata利用专有的压电技术实现的“Picoleaf™”是一款柔性薄型传感器，可以高灵敏度检测“弯曲”、“扭转”、“压力”、和“振动”，可节省安装空间，与以往的传感器相比，在薄型、组装性能及耐久性等方面实现了改良。除了可以在安装时节省空间外，它还具有多种特征，例如，在用水场所（卫生间、厨房等）用于与用户交互，也可在金属外壳上创建无缝按钮等。 

Picoleaf™ 柔性薄型传感器的厚度小于或等于0.2mm，即使与显示器或触摸屏组合使用也能节省空间。尺寸为2.5 x 7.0mm，实现了微小型尺寸。其柔性结构即使在带有曲面的高设计性设备上也能沿曲面粘贴。此外，还能用于包裹在圆柱体上那样的特别形状。 

Picoleaf™ 柔性薄型传感器具备非热释电性，由于不存在因体温、日照或半导体等发热而引起的漂移，所以可遏制因热而产生的噪声，并具备低功耗，传感器本身功耗为0，驱动放大电路也可以设计成低消耗电流（10µA左右）。 

Picoleaf™ 柔性薄型传感器采用了从植物中萃取的聚乳酸（PLA）为原料的环境友好有机压电薄膜。它是一种碳中性材料，在它的制造、废弃和分解的生命周期中不会增加大气中的CO₂，有助于实现永续发展目标（SDGs）。此外，它是符合欧洲RoHS指令的无铅产品。 

通过组合检测电路，可以获得基于压电薄膜位移速度的输出，通过利用该输出特性，可作为按压检测、握持检测、生物信号检测等各种传感器应用。在按压检测的应用中，可利用按压检测特性作为UI传感器使用，将Picoleaf设置在触控笔上，可以检测人手握持的状态。 

Picoleaf™ 柔性薄型传感器具备高灵敏度，可以检测1µm量级的微小位移，单个传感器可以检测显示器整个表面上的压力。因此，在生物信号检测的应用上，可利用压电薄膜传感器高灵敏度的特征，用于检测无意识的肌肉颤抖、抓握和脉搏等生物信号，作为检测生物信号中的“脉搏和呼吸”的传感器使用。 

结语

基于床上的心冲击图（BCG）测量解决方案为无侵入式、连续的心血管监测提供了一种有效且便捷的方式，柔性薄型传感器则可准确地检测脉搏和呼吸等生物信号，通过准确的信号采集与前沿的数据分析技术，BCG与柔性薄型传感器能够为个人健康监测、远程医疗以及临床应用带来显著的价值。随着传感器技术、人工智能和大数据分析的进步，BCG与柔性薄型传感器测量方案的准确性和可靠性将进一步提升，未来有望成为生理健康监测的重要工具，为医疗保健行业带来更智能和有效的解决方案。Murata所推出的BCG与柔性薄型传感器解决方案，将能够加快相关产品的开发速度。 

Murata的BCG传感器和Picoleaf柔性薄型传感器强强联手，共同为推动健康技术做出了重大贡献，能够持续监测生命征象并促进主动健康管理。Murata与消费产品的集成不仅增强了个人健康水平，而且还支持医疗保健提供者通过实时数据洞察，提供更优质的患者护理。随着全球对以健康为中心的解决方案的需求不断增长，这些传感器代表着通过技术驱动的创新实现，来改善健康结果的前沿方法。 

欢迎与Murata与艾睿电子联系，以取得更详尽的信息。