生物监测技术的演变与解决方案

随着人工智能、物联网和传感技术的快速进步，生物监测解决方案正在从传统的接触式和间歇测量过渡到更智能、连续和不显眼的健康监测模式。从医院跟踪生命体征到智能家居、远程医疗和公共安全场景，生物监测不仅在提高医疗效率和准确性方面发挥着关键作用，还在预防保健、慢性病管理和突发健康事件的预警系统中表现出巨大价值。本文介绍了Ballistocardiography (BCG) 和压电薄膜传感生物监测解决方案的应用和发展，以及Murata提供的相关解决方案。 

BCG技术是一种非接触式生理监测方法，通过检测由心脏收缩和血液排出引起的微小机械振动，间接获取心脏活动信息。它不需要电极贴片或可穿戴设备，可以在舒适的环境中持续跟踪生命体征。近年来，它在非接触式生物监测中得到越来越广泛的应用。

Murata的BCG（心搏图）传感器通过检测人体内心跳和血流产生的微小振动和运动来工作。以下是其工作原理的简化说明：

总之，Murata的BCG传感器使用灵敏的MEMS组件捕获心脏引起的身体振动，并将其转换为用于健康监测的电信号。

BCG可以应用于医院病房和重症监护室（ICU）、智能家居和睡眠监测、老年人跌倒和健康警报以及远程健康管理。例如，在医院病房和ICU中，它可以持续监测心率、心搏间隔变异性（HRV）和每搏输出量，减少与接触式传感器相关的皮肤刺激和感染风险。当应用于智能家居和睡眠监测时，它可以分析睡眠期间的心率、呼吸、身体运动和睡眠阶段。它可以隐藏在床垫、枕头或床架中，实现隐蔽监测。

此外，在老年人跌倒和健康警报中，BCG可以监测心脏功能的长期变化，结合异常模式检测来预防心脏事件，而无需用户合作，使其适用于老年人群。BCG还可以用于远程健康管理，通过连接物联网平台，将BCG数据上传至云端进行分析和医学评估，支持多用户同时监测和数据比较。

BCG完全是非接触式的，能够通过床垫、座椅甚至地板进行监测，而不会影响用户活动或睡眠。它支持长期连续监测，非常适合需要全天候监测的高风险患者或老年人。它可以获取多个参数，包括心率、呼吸频率、HRV和血流动力学指标。它提供高度舒适性和隐私性，因为用户不需要佩戴任何设备，也不存在与摄像头相关的隐私担忧。

然而，BCG 技术也面临着诸如信号噪声干扰等挑战。身体运动、床垫弹性差异和外部振动等因素会影响数据准确性。算法的精度和标准化也需要关注，必须增强 AI 和信号处理模型，以提高在不同体型和姿势下的稳定性。此外，进入临床诊断领域需要严格的医疗设备认证和大规模临床验证。未来，BCG 将与毫米波雷达、光学 PPG 等技术相结合，以提高检测准确性和环境适应性。

村田推出了改进的第二代BCG解决方案，为监测医院和家中睡眠个体的状态开启了新的可能性。它可以检测诸如脉搏、呼吸频率和呼吸持续时间等生物信号，以确定床铺占用情况并分析睡眠状态。

Murata的解决方案包括一个预编程的微控制器（BCGMCU-D01），配备算法，并集成在客户的PCB设计中的低噪声SCL3300-D01倾斜仪，构成一个面向软件解决方案提供商、服务提供商和OEM系统集成商的零部件级解决方案，使得BCG测量可以集成到各种医疗产品中。

这款新的床式传感器利用BCG原理。当心跳时，由于身体的运动，床会产生微妙的振动。这些微弱的信号被超灵敏加速度计捕获，并通过嵌入微控制器的算法处理，以提取生物信号，例如脉搏。通过BCG产品，传感器节点可以检测包括脉搏、呼吸频率、心率变异性（与压力相关）、搏出量以及床占用状态在内的各种生物信号。

BCGMCU 采用非接触式测量，实现连续无干扰的监测。它提供了广泛的集成选项的参考设计方法，具有几乎无限寿命的低功耗 MEMS 加速度计。它兼容常见的制造工艺，并包括易于使用的串行 UART 接口。它输出每个心跳的时间，用于计算各种心率和心率变异性指标。目标应用包括医院、养老院和辅助生活设施，实现心跳检测、呼吸率监测、床位占用监测、睡眠质量测量，以及压力和放松分析。Murata 的 BCGMCU-D01 支持 3.3V DC 输出电压，静态电流小于 6.7 mA，输出数据率 (ODR) 为 1 Hz，脉冲检测范围为 40-120 bpm。

村田的 SCL3300 是一款高性能的三轴倾斜仪，可在倾斜测量中提供卓越的性能。其紧凑尺寸为 7.6 × 8.6 × 3.3 mm (宽 × 长 × 高)，支持四种用户可选的测量模式，可根据具体应用和需求进行定制。它具有超低噪声密度和高分辨率 (0.001°/√Hz)，配备 SPI 数字接口，优越的机械阻尼特性，工作温度范围为 -40 至 125°C，电流消耗为 1.2 mA (在 3.0–3.6V 供电电压下)。它采用成熟的电容式 3D-MEMS 技术，提供高性能和坚固的设计，适用于要求在恶劣环境中稳定性的应用，如水平测量、倾斜补偿、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。

Murata还提供SCL3300 SERIES PCB，这是一个数字加速度计/倾斜仪传感器板。该芯片载体PCB配备了MEMS数字倾斜仪SCL3300系列，以便于产品评估和设计。此外，Murata提供CA10H-SAL睡眠分析库，输出瞬时和累计的整夜应用数据。它利用检测到的高频和低频心率变异性、呼吸深度和呼吸变异性进行整夜恢复分析。它自动评分清醒、REM、浅睡和深睡阶段，并支持基于检测到的恢复、REM、浅睡和深睡评分以及总睡眠时间的睡眠质量指数。目前支持的操作系统包括Ubuntu 18.04及更新版本，以及CentOS 6.0和7。

Murata推出了压电膜传感器 (Picoleaf™)，这是一种使用Murata专有压电技术开发的柔性薄传感器。它能够高灵敏度地检测弯曲、扭曲、压力和振动。与传统传感器相比，它节省安装空间，提高了薄度、组装性能和耐用性。

此外，Picoleaf使用的压电薄膜由聚乳酸制成，该材料是通过从植物中提取淀粉并发酵成乳酸来合成的。植物从大气中吸收二氧化碳来生产淀粉，使得这种材料实现碳中性，并为减少全球变暖做出贡献。

Picoleaf检测电路由I/V转换器和放大器电路组成。当压电薄膜由于压力或形变而弯曲时，会产生与弯曲程度成正比的极化。生成的电荷通过I/V转换器转化为电压，并作为模拟信号输出。转换后的电压信号被放大并根据需要进行调整，以供通用AD转换器或CPU处理。

Picoleaf的压电特性使其能够检测"位移方向"和"位移速度"。对于“山折”变形，位移方向输出到Picoleaf参考电压的正端；对于“谷折”变形，输出到负端。除位移方向外，位移速度可以从峰值电压计算，峰值电压随位移速度成比例增加。此外，通过利用Picoleaf传感器的输出反转特性，推拉动作可以在用户界面中作为无缝开关。如果Picoleaf附着在有周期振动的物体上，它可以检测这些振动，作为状态检测传感器。

Picoleaf超薄（0.2毫米或更小）且紧凑（2 × 10毫米），即使与显示屏或触摸面板结合也节省空间。它还可以安装在设计精巧设备的曲面上，包括圆柱形状。Picoleaf能够检测到微小至1微米的位移，单个传感器可以测量整个大显示屏表面的压力。它可以检测无意识的肌肉运动，如震颤、握持和脉搏。由于它是非热释电的，因此避免了因热量（例如体温、阳光或半导体）引起的漂移，从而降低噪音，便于算法开发。此外，传感器本身零功耗，放大器电路可以设计为低功耗（约10 µA）。

Picoleaf 的透光率超过 90%，可安装在需要透明度的显示面板区域。结合触控面板的用户界面功能与 Picoleaf 的压力检测能力，可以实现与传统触控面板不同的人机界面，更符合人体行为原则。Picoleaf 的轻薄、短小和灵活设计使其在保持设计完整性的同时引入新功能。其安装灵活性轻松解决了空间极小和曲面等挑战，使其适用于可穿戴设备以检测脉搏和呼吸等生物信号。

生物监测解决方案正在迅速向更高精度、多参数分析、实时操作和智能化方向发展，在医疗诊断、健康管理、运动监测和公共安全中发挥着越来越重要的作用。Murata 的 BCG 解决方案和 Picoleaf 压电薄膜传感器能够实现 24/7 不显眼的生命体征监测，同时提供异常情况实时警报，提高整体安全性和健康管理效率。这些创新实现了全场景、全天候的生命体征跟踪和健康评估，为个人和社会提供更准确、高效、可持续的健康管理解决方案，推动医疗行业进入智能化的新纪元。