心动图与柔性薄膜传感器生物监测解决方案
心脏疾病是现代人类中最常见且致命的疾病之一。因此，有效监测心功能有助于及早发现异常，及时诊断和治疗，从而挽救生命。除传统的心电图（Electrocardiogram，ECG）监测外，心搏图（Ballistocardiography，BCG）通过反映心跳引起的力变化，提供了对心脏活动的进一步洞察，使其在心脏活动监测中极具价值。此外，利用柔性薄膜传感器检测诸如“脉搏与呼吸”等生物信号，可以提高生理监测的准确性。本文将介绍BCG和柔性薄膜传感器的原理，以及Murata提供的相关解决方案。
心脏疾病是影响现代社会最常见和最具威胁性的疾病之一。对心脏功能的有效监测对于早期检测异常至关重要，有助于及时诊断和治疗，从而挽救生命。除了传统的心电图（ECG）监测外，心冲描记法（BCG）通过测量心跳产生的力量变化提供了宝贵的信息，使其成为评估心脏活动的重要工具。 此外，融合柔性薄膜传感器，也称为Picoleaf，用于检测脉搏和呼吸等生物信号，大大提高了生理监测的准确性。本文将探讨BCG和Picoleaf的原理，同时重点介绍村田在这一关键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动描记传感器
心脏功能是人体生存最为关键的条件之一，因此监测心脏活动成为了早期检测与心脏相关疾病的最佳方法。目前有多种方法可以监测心脏功能。心电图（ECG）显示电活动，心脏病专家可以使用超声波监测心脏瓣膜运行和血流，血压测量追踪压力波的变化，而心搏图（BCG）则测量心脏的泵浦机制，提供每次心跳时间和相对搏动量的信息。 ECG 的优势在于能够检测心脏电活动的故障，例如心律不齐、电信号延迟、阻滞或异常的去极化和复极化。其局限性包括需要电极附件，以及无法提供心脏实际泵浦性能的相关信息。 另一方面，BCG 传感器放置在床上，使其非侵入性且免维护，非常适合长期夜间测量。因此，它是衡量身体恢复和睡眠质量的极佳工具，并能揭示潜在的睡眠呼吸暂停或夜间心律失常等情况。此外，将床上 BCG 测量与日间血压波（BPW）测量（例如使用腕带）相结合，可以实现全天候对心脏和自主神经系统状态的监测。非侵入性 BPW 测量是监测心脏和血管功能的优秀工具。
通过球心搏动测量睡眠质量
良好的睡眠对每个人都至关重要，有助于预防各种疾病并延长寿命。它的积极影响不仅限于心脏或血管相关疾病；优质睡眠对于心理健康及预防癌症也至关重要。对于老年人，无论是居家还是在护理机构中，持续监测生命体征是提升健康状况、实现独立生活、提高患者安全性、减少劳动力和成本，并通过安全远程护理实现更早出院的必要手段。对于运动员而言，恢复和优质睡眠对于最佳训练和比赛表现至关重要，因为最好的训练和恢复可以造就顶尖的运动员。 此外，心率和呼吸参数是反映一个人总体状况和寿命的重要指标。它们不仅衡量心脏状态，还通过自主神经系统反映身体整体状况，发出各种病理状况的信号。例如，搏量变异性（SVV）可以作为液体状况的测量指标。 在老年人护理和独立生活中，夜间恢复至关重要，这使得基于床的监测同样有价值。通过 BCG，测量得出的数据可以与其他信息结合，例如检测行为变化以识别潜在问题。优质睡眠对于预防许多疾病和延长寿命至关重要，而 BCG 提供了一种非侵入式的长期睡眠质量监测方法。此外，BCG 可协助运动员和活跃锻炼者监测恢复状态，避免急性和慢性过度训练。
用于医院和家庭的非接触式生物监测解决方案
对于BCG应用，村田提供了一种非接触式生物监测解决方案，专为医院和家庭环境中的床上睡眠状态监测而设计。该解决方案可以检测脉搏、呼吸频率和呼吸时间等生物信号，并能够判断人员离床或分析睡眠状态。这款BCG解决方案包括预编程的微控制器（BCGMCU-D01）和SCL3300-D01倾角传感器，组成了组件级解决方案。 这种创新的床装传感器利用了BCG原理。当心脏跳动时，血液从主动脉流向动脉所产生的动力会在人体产生一个反作用力。当人在床上睡眠时，由于身体的微小移动，床框会出现细微振动。超灵敏加速计捕捉到这些细微信号，微控制器嵌入的算法能够提取脉搏等生物信号。这款BCG产品可使传感节点能够监测脉搏、呼吸频率、心率变异性（与压力相关）、每搏输出量以及床占用检测等各种生物信号。 该解决方案中的BCGMCU是第二代BCG产品，具有改进的性能，为在医院和家庭环境中对睡眠者进行监测提供了新的可能性。该产品包括预编程了村田BCG算法的微控制器，以及配合客户PCB设计的低噪声SCL3300倾角传感器。这种低集成设计使得BCG测量能够被整合到各种医疗产品中。 该BCG解决方案的主要特点包括非接触式测量实现了连续无干扰监测、参考设计方法支持广泛的整合选项、低功耗，以及具有近乎无限使用寿命的MEMS加速度计。它兼容常规制造方法，提供易于使用的串行UART接口，并输出心跳间隔，用于计算各种心率（HR）和心率变异性（HRV）指标。目标应用包括医院、老年护理、辅助生活、心跳间隔检测、呼吸频率检测、床占用监测、睡眠质量测量以及压力/放松分析。 BCGMCU设计用于与SCL3300-D01倾角传感器配合使用，作为BCG参考设计的一部分。该BCGMCU是一个预编程的Silicon Labs EFM32PG1B100F256GM32微控制器，为客户应用提供易于使用的串行UART接口。产品设计应遵循EFM32PG系列微控制器的规格，而SCL3300则通过一个预编程的应用程序进行配置和接口连接。 SCL3300是一款高性能三轴倾角传感器，能够角度输出，在倾角测量方面表现优异。尺寸为7.6 x 8.6 x 3.3mm（宽 x 长 x 高），用户可根据应用需求选择四种测量模式。其特点包括极低噪声、高分辨率（0.001°/√Hz）、灵活的SPI数字接口以及卓越的机械阻尼特性。传感器及ASIC封装于12引脚预成型塑料壳内，保证产品在整个使用寿命中的可靠运行。 SCL3300工作温度范围为-40至125°C，仅消耗1.2mA电流（电源电压为3.0–3.6V）。它采用成熟的电容式3D-MEMS技术，并设计、生产及测试以满足高稳定性、可靠性和质量标准。组件在广泛的温度和振动范围内能够提供极为稳定的输出，并具备先进的自诊断功能。它适合SMD安装，并符合RoHS和ELV指令。 SCL3300倾角传感器以其高性能和坚固设计成为需要在恶劣环境中保持稳定的应用的不二之选。主要用途包括水平测量、倾斜感应、机器控制、结构健康监测、惯性测量单元（IMUs）、机器人技术以及定位和导航系统。 村田还提供BCG参考设计以协助将SCL3300和BCGMCU集成到最终应用中。它作为一个全面测试的调试器和BCG性能验证工具。该BCG参考设计包括SCL3300倾角传感器及预编程的BCGMCU，工作输入电压为5–9V，具备一个用于数据和固件更新的UART接口以及一个40 MHz晶振。
用于生物监测应用的压电薄膜传感器
村田的"Picoleaf™"采用其专有的压电技术，是一种柔性薄膜传感器，能够高灵敏度地检测"弯曲"、"扭曲"、"按压力"以及"振动"。它节省了安装空间，并在薄型化、组装性能和耐用性方面优于传统传感器。除了节省空间的安装以外，它还提供了诸如金属外壳上的无缝按钮创建或在易接触水的区域（如浴室、厨房）中与用户互动的功能。 Picoleaf™柔性薄膜传感器的厚度≤0.2mm，可实现包括显示屏或触摸屏在内的空间高效集成。其紧凑的尺寸（2.5 x 7.0mm）使其极为小巧。柔性结构使其能够顺应曲面，适用于高设计设备甚至是圆柱形表面。 Picoleaf™传感器是非热释电的，消除了因体温、阳光或半导体加热引起的漂移，从而最大限度地减少了热噪声。它也是低功耗的，传感器本身零功耗，驱动放大电路设计为低电流消耗（约10µA）。 Picoleaf™传感器采用一种环保的有机压电薄膜，这种薄膜由从植物中提取的聚乳酸（PLA）制成。作为一种碳中和材料，在其生命周期中——从制造到处理和分解——并不会增加大气中的CO2，有助于实现可持续发展目标（SDGs）。此外，此传感器不含铅，符合欧洲RoHS指令。 结合检测电路时，该传感器通过压电薄膜的位移速度生成输出。利用这种输出特性，它可以用作按压检测、抓握检测和生物监测的传感器。对于按压力检测，它可作为UI传感器。当安装在触控笔上时，它可以检测手握状态。 Picoleaf™传感器具有高灵敏度，可检测微小至1µm的位移。单个传感器即可检测整个显示面上的按压力。在生物监测应用中，其高灵敏度可检测非自主肌肉颤抖、抓握和脉搏，适合作为生物信号传感器监测"脉搏和呼吸"。
结论
随着智能医疗技术的进步，重症监护病房 (ICU) 正在经历数字化和智能化的转型。通过人工智能、大数据、物联网 (IoT) 和机器学习等技术，医疗团队可以更精确地监测患者状况，提高诊断准确性，并优化治疗方案。此外，远程监测、智能决策支持和自动化设备提升了医疗效率，减少人为错误，同时改善了患者的治疗效果与安全性。未来，随着技术的不断进步和应用的扩展，智能医院解决方案将进一步推动 ICU 的发展，实现更高效、更精准以及以患者为中心的重症护理。本文介绍的 ADI 智能医院技术解决方案是开发相关应用的一些最佳选择。
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