【案例】传感器在非接触式生命体征监测方面的应用

由 judy 提交于周五, 7 二月 2020 - 10:34

传感器技术在医疗领域的使用中正发挥着其重要的作用。

利用传感器技术，植入型医疗设备将获得更强大的功能，新型观察方式通过对患者行动和方位进行观测，可以为患者朋友们带来更加自由的生活，比如目前使用的心率管理（CRM）、手术仪器定位、侵入式和非侵入式压力测量等。如果将传感器的信号与其他检测方式的结果结合之后来观察，就能有效防止病症的恶化。

传感器在医疗健康行业的另一个重要应用是进行非接触式生命体征监测。非接触式生命体征监测目前已经开始应用在睡眠分析、老年患者护理监测等场景，是经济实惠、易使用一种健康观察手段。

1 需求

人类的生命体征能传递大量的个人健康信息，但是，长期监测心跳节律、体温、呼吸、睡眠中躯体运动等等，通常不容易实现，因为穿戴式的测量，会让人感到不舒适、不方便，甚至带来附加心理压力。

在日趋老龄化的社会中，护理老人时，防跌落是主要的关注点，虽然目前已有多种解决方案，但是如果能同时监测心率、呼吸频率和各种活动等生命体征，会有助于深入地了解个人健康状况，也可为护士提供防跌落警报。

近年来，各种活动追踪器以及类似的仪器将睡眠分析引入了消费市场。睡眠分析中使用的多导睡眠监测（PSG）是睡眠分析的“金标准”，然而，市场上的睡眠分析仪器并不能为类似PSG这类仪器提供足够精确的生命体征数据来进行睡眠分析。

2 挑战

从技术角度来分析，非接触式生命体征监测也面对很多挑战，其中主要包括：

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<li>
仪器设备需要小型化
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必须有良好的信噪比
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高精度、高稳定性
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低功耗
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使用无线床铺传感器 BCGMCU和压力传感元件进行，在使用者床上进行非侵入式和免维护的心冲击图（BCG）检测，是目前生命体征监测应用领域的一个热门话题。

3 BCG的在床监测应用

监测心脏的功能，目前存在多种方法。人们常听说的是心电图（ECG），ECG揭示的是心脏的心电功能；另外，心脏病专家可以同时用超声波监测瓣膜的操作和流量，用血压测量观测心跳产生的血压或压力波。心电图的优点是可以检测到心脏电操作中的故障，如心律失常、信号延迟或阻滞、异常极化或去极化等；它的局限性包括对附加电极的要求和缺乏心脏真正泵送的信息。

心冲击信号图（BCG）监测心脏功能则没有ECG的上述局限。心冲击信号是血液流入主动脉、主动脉旋转和血压脉冲持续进入动脉引起的反冲信号。该运动主要沿着身体的纵向轴线，加速度幅度通常为1mg（1cm／s2）的量级。典型的BCG信号如下图所示。

典型的BCG信号

心冲击图（BCG）的优势在于其测量反应的是心脏的机械泵送过程，信号能够给出每一次心跳的时间和相对泵送量。另一方面，BCG的传感器可以安装在使用者床上，是非侵入性和免维护的，这种方式适合长期和夜间测量。因此，它还是测量康复状态和睡眠质量的极好工具，还可以揭示潜在的睡眠呼吸暂停或夜间心律失常。

将床上的BCG测量值与手镯式日间脉博（BPW）测量值结合，就可以做到24/7监测使用者的心脏和自主神经系统的状态。BPW也属于非侵入式的测量工具，用于监测心脏和血管的功能。

有了这样组合的方案，非侵入式生命体征监测就能够应用到各种不同需求的场景。

良好的睡眠对每个人预防各种各样的疾病和延长寿命都很重要。积极的影响不仅限于与心脏或血管功能有关的情况，良好的睡眠还有助于人们的精神健康，甚至预防癌症。

对于老年人而言，需要持续监测生命体征，无论是在家庭和老年护理，以提高健康，方便其独立生活能力，提高病人的安全监护，同时还需要节省医院的人工成本，如果病人能够较早出院并保持在外面的安全的话。

对运动员来说，恢复和良好的睡眠是取得良好训练和比赛成绩的决定性因素，最佳的训练和恢复使运动员成为顶级运动员。

心跳和呼吸参数是一个人一般状况和预期寿命的极好指标。它们不仅测量心脏的状况，而且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，如中风测量。

需要指出的是，使用者床层中弹簧常数和阻尼因子的变化较大，导致不同的信号振幅和衰减时间常数。因此，在床的BCG测量，对应用中使用的传感器能力和相应的信号分析能力有着非常高的要求。

村田BCG解决方案

村田改进性能后的第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。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。

村田BCG解决方案

村田BCG解决方案包括两个部分：

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<li>
由事先编好程序的微控制器BCGMCU-D01和SCL3300-D01。
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倾角传感器构成的元件级解决方案，以及面向软件解决方案和服务提供商、OEM系统集成商的产品。
</li>
</ul>

BCGMCU-D01

村田基于加速度传感器的心冲击图（BCG）传感器 SCA10/11H的工作原理是：

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<li>
传感器连接在床上。
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血液从人体心脏流出时，全身会有微小的活动，称之为心冲击图信号。
</li>
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当床上有人时，BCG信号传递到床上。
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村田加速度传感器捕获到这些振动，再通过我们的专利算法将加速度传感器上的数据转换为生命体征数据。
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SCA10H是一个PCB模块，内置用于BCG算法处理的加速度传感器和MCU。
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<li>
SCA11H提供WiFi连接，便于集成。
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村田心冲击图（BCG）传感器SCA10/11H产品特点：

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<li>
每秒报告一次：

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心率（bmp）
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心率变异度（ms）
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呼吸频率（次/分钟）
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每搏输出量（A.U）
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信号强度（测量活动，A.U）
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之前检测到的精确的呼吸时间
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WiFi连接、云端支持
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支持软件和简单连接，便于集成
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睡眠分析算法与SCA10/11H数据配套使用
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目前，村田心冲击图（BCG）传感器SCA10/11H产品广泛应用在防跌落和占床监测、长期筛查生理状况、睡眠分析、以及身体康复等应用中。

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关于村田

株式会社村田制作所是一家进行基于陶瓷的无源电子元件与解决方案、通信模块和电源模块之设计、制造与销售的全球领先企业。村田致力于开发先进的电子材料以及领先的多功能和高密度模块。公司的员工和制造基地遍布世界各地。